Генетический код универсален — един для всех организмов

История иммуногенетики
У истоков иммунологии лежат наблюдения древних народов о том, что чумой
повторно не болеют. Кроме того, в древности (Египет и Греция) переболевшие
чумой привлекались к уходу за больными и к захоронению трупов. Из этих
наблюдений и родилась идея о необходимости заражения здоровых людей от
больных, у которых заболевание протекало в легкой форме. В Турции и на
Ближнем Востоке для профилактики детей от оспы втирали им в слизистую
оболочку носа порошок из подсохших оспенных гнойничков, что иногда
приводило к невосприимчивости и последующему заражению — «метод
вариоляции и инокуляции».
Возникновение иммунологии как науки связано с работами Э. Дженнера (1749—
1803), инфекционной иммунологии — J1. Пас-тера (1822—1895), создавшего
вакцины против бешенства, куриной холеры и сибирской язвы. Однако только с
конца XIX и начала XX веков происходит зарождение экспериментальной и
теоретической иммунологии (Т.Н. Ульянкина, 1994), в чем выдающаяся роль
принадлежит плеяде исследователей (Э. Беринг, 1902; Р. Кох, 1908; И.И.
Мечников. 1913; П. Эрлих, 1913; Ш. Рише, 1913 и др.). В 1909 г. И.И. Мечников и П.
Эрлих удостоены Нобелевской премии за исследования в области иммунитета.
Работы Э. Дунгерна и J1. Хиршельда (1910) по антигенам групп крови положили
начало исследованиям в области иммуногенетики, хотя этот термин был
предложен значительно позже (М. Ирвин, Л. Коли, 1936). Молекулярные и
клеточные механизмы иммунологического распознания связаны с
иммуноглобулинами, участвующими в специфической реакции с антигенами
(чужеродные вещества). Новый этап в развитии иммунологии связан.с именем
австрийского ученого Бернета (Бернет Ф.М., 1959, 1962), заострившего внимание
на необходимости изучения роли механизмов иммунитета в поддержании
генетической целостности онтогенеза, лимфоцитов (участников специфического
иммунного реагирования) и тимуса в иммунитете.
Однако лишь обобщения достижений в таких областях," как вирусология,
микробиология, физиология, биохимия и молекулярная, генетика оказали
заметное влияние на прикладные и теоретические направления медицины,
ветеринарии и защиты растений. Наиболее ощутимые результаты при этом
получены при изучении закономерностей иммунитета (иммунология) и
молекулярных механизмов защиты организма от инфекций (иммуногенетика),
что открыло возможности регулировать устойчивость к патогенным вирусам и
микробам. По иммунологии и иммуногенстикс существует необозримая,
информация, что исключает ее охват, и поэтому остановимся в общих чертах на
некоторых их идеях и достижениях.
Удалось конкретизировать иммунную систему многих позвоночных,
проявляющуюся на разных уровнях (гуморальный, клеточный, тканевый и
организменный) по принципу против всего, что «не-свое». По сложности
иммунная система уступает лишь нерв- ; ной. Однако между ними есть много
общего, в том числе они не ; обладают памятью, каждое поколение «учится
заново» ввиду ее ненаследуемости. Обе системы организованы как сети из
взаимодействующих различных типов клеток.
Основные действующие элементы иммунной системы — малые лимфоциты и их
потомство (Т- и B-лимфоциты). При клеточном иммунитете Т-клетки атакуют
чужеродные агенты, погибают, вступая в реакцию с клетками-киллерами.
Гуморальный иммунитет с участием B-клеток сопровождается выработкой
антител (М. Mitchel, W. Hall, Е. Hall, 1967). Свойства Т-клеток складываются в
тимусе (зобная железа), где синтезируется и гормон тимопоэтин, необходимый
для дифференциации тимоцитов. Последний имеет мол. вес 5562 и состоит из 49
аминокислот (Goldstein et al., 1976).
Антитела-иммуноглобулины образуются только у позвоночных, представляют
гетерогенную популяцию как продукты разных ге-, нов. Каждый тип антител
имеет определенный состав аминокислот, что позволяет использовать его как
маркер при идентификации антител. Молекулы антител узнают антиген и
связывают его. Изучен химический состав антител (L. Hood, 1976; С. Milstein et al.,
1974; Niai, Edman, 1967; Wu, Kabot, 1971, 1976; Kehoe, Capra, 1974; Tonegawa, 1976),
в их молекулах обнаружены вариабельные и константные участки. Отторжение
пересаженной ткани обусловлено наличием антигенов гистосо вмести мости на
поверхности почти всех клеток птиц и млекопитающих (F.H. Bach, 1976; W.F.
Bodmer et al., 1978; В.A. Cunningham, 1977; Y. Klein, 1975).
В эволюции иммунная система развивалась на основе способности распознания
двух клеток — «своего» и «не-своего» путем формирования комплекса МПС
(Major Histocompatibility Complex — главный комплекс гистосовместимости). У
беспозвоночных обнаружен ряд феноменов иммунитета. Однако их молекулярная
природа еще мало изучена. МНС имеет два класса молекул. Молекулы I класса
играют доминирующую роль в отторжении трансплантата. Молекулы II класса в
этом отношении менее активны. Гены иммунного ответа (Іг-генов) сцеплены с
МНС. Дивергенция на В- и Т-клетки произошла у амфибий. Организм
справляется с разнообразными внешними воздействиями (F.M.Burnet, 1959;
клональная иммунная гипотеза) из-за наличия у него большого числа В- и Тклеток (N.R. Klinman, N.H. Sigal et al., 1977; О. M?kel?, 1967; F. Melchers, 1977).
Иммунный ответ находится под жестким генетическим контролем,
определяющим синтез его специфических антител.
Способность к фагоцитозу — общее свойство одноклеточных — связано с их
питанием. Эта реакция на чужеродный материал сохранилась у всех
многоклеточных животных. Иммунное распознавание чужеродных веществ
характерно для губок и кишечнополостных, а аллогенное — млекопитающих.
Клеточные формы специфического реагирования сохраняются и у первично- и
вторичноротых беспозвоночных. Лишь некоторые представители простейших
многоклеточных обладают способностью к специфическому реагированию с
формированием иммунной памяти (В.Г. Гапактионов, 1998). Клеточная иммунная
реакция предполагает напичие на поверхности эффекгорных молекулярных
структур, способных к распознаванию чужеродного материала. Лишь у
вторичноротых отмечено первое появление лимфоцитов. Система клеточного
иммунитета оказалась в эволюции связана с более древней пищеварительной
системой (Т.И. Ульянкина, 1994). Лабораторными исследованиями,
проведенными в течение 60—80-х годов XX в. учеными разных стран, выяснена
молекулярная структура антител, конкретизированы их генетическая основа и
химическое разнообразие, а также антиген-распознающие рецепторы (Р.В.
Петров, 1976). Теперь известно, какие типы клеток участвуют в клеточном и
гуморальном реагировании, а также механизмы повышенной реактивности и
толерантности распознавания антиген. Благодаря таким исследованиям удалось
сформулировать концепцию развития специфического имму нитета в
прогрессивной эволюции животных.
Однако в ходе эволюции нередко складывается взаимосвязь хозяина и паразита.
Идет не только отбор по устойчивости хозяина но и вирулентности патогенов. В
последнем случае возникает явление антигенной маскировки паразита, что
связано как с синтезом на поверхности патогена антигенов сходных с белками
хозяина (поэтому их трудно распознать), так и заимствованием антигенов
хозяина. Кроме того, патогены способны менять антигенную структуру своей
оболочки различными путями (путем отбора патогенов с новыми антигенами или
сменой активности близких по эффекту своих генов разного происхождения).
Следует отметить наличие значительных успехов и в области фармогенетики —
изучение необычных индивидуальных реакций нц лекарственные препараты и
пищевые продукты у людей (М.Е. Ganoid, 1963; J.B.S. Haidane, 1954; A.G. Motulsky,
1965; F.Vogel, 1959), сочетающихся с генетическими дефектами синтеза
определенных ферментов. Впечатляющи достижения в области эко-генетики —
изучения специфики реакции людей на выброс в окружающую среду токсических
веществ и ядохимикатов (G.Y. Brewer, 1971; A.G. Motulsky; F. Vogel et al., 1978;
Anony, A.G. Motulsky, 1977; G.S. Omenn, A.G. Motulsky, 1978). Оказалось, что
биохимические особенности определяют специфику реакции организма на
действие лекарственных и других химических препаратов, что в значительной
мере связано с проявлением эффекта мутангных генов.
Иммунитет растений слабо изучен и отличается по механизмам от животных. У
растений, как у животных, нет специализированных органов иммунитета и их
производных (лимфоцитов). Растения не синтезируют антитела. Тем не менее и
они имеют систему защитных механизмов против патогенов, инфекционных
болезней и проникновения чужеродных веществ (Т.А. Курсанова, 1988).
Благодаря этому происходит поддержание морфофункциональной целостности
индивидуума и его онтогенеза. Иммунитет растений контролируется различными
механизмами, велика его связь с гормонами и веществами вторичного
метаболизма. Эти механизмы у растений выработались в процессе отбора при
сопряженной эволюции систе--мы «растение-хозяин и патоген». В селекции
защитным механизмам сортов уделяется большое внимание, пытаясь при этом
закрепить устойчивость их к определенным патогенам как путем создания сортов
с ограниченным числом возбудителен, так и специфически устойчивых к
определенным для них паразитам. Растения страдают от паразитических грибов,
бактерий, вирусов, гельминтов и от паразитических видов растений (повилика,
заразиха омела). Кроме того, фигогельминты и паразиты участвуют и в переносе
патогенных вирусов и бактерий к растениям. Органы растений проявляют
большую автономность по сравнению с животными. Тем не менее и между
органами растений существуют структурно-функциональные связи
взаимодействия для реализации фитоиммунологического контроля превращения
и передвижения многих метаболитов, принимающих участие в защите от
патогенов. Растения способны распознать патоген по его метаболитам на
поверхности клетки." Патогенные организмы в местах своего размножения
выделяют вещества смерти — элнеиторы, служащие первичными сигналами
поражения клеток. Они способствуют включению процессов, участвующих в
фитоиммунитете (И.А. Тарчевский, 2002). Это сопровождается связыванием
рецепторов растений с метаболитами патогена — «защитный механизм хозяина».
При контакте растения с патогеном происходит первая реакция — «взаимное
узнавание», которая у устойчивых растений приводит к ослаблению подвижности
патогена — его иммобилизации благодаря синтезу лектинов и элиситеров. Они
склеивают клетки и споры паразитов — агглютинизация. Этому способствует и
окисление полимерных фенольных соединений с образованием лигнина.
Последний и предотвращает клетку от разрушения пеетолитнческими
ферментами патогена Против этого иногда патогены маскируют свои метаболиты
под метаболиты хозяина либо блокируют его рецепторы распознавания.
Среди возбудителей болезней растений выделяют факультативные паразиты й
сапрофиты, облигатные паразиты (существующие только на растениях: вирусы,
грибы и паразиты). Среди них выделяют нскротрофы (все факультативные
паразиты и часть сапрофи-тов), биотрофы (облигатные паразиты). Вся патогенная
микрофлора воздействует на растение-хозяин своими гидролитическими и пектолитическими ферментами и патотоксинами, которые разрушают компоненты
клетки и вызывают ее отмирание. Степенью и темпами их действия
характеризуется агрессивность и вирулентность патогенов. Действием своих
ферментов патогены открывают себе путь в клетку хозяина и по ним растения
опознают их.
Устойчивость растений к патогенам — генетическое свойство, определяемое
морфофнзнологическими особенностями (Н.И. Вавилов). В развитие этой
концепции были предложены теория «ген-на-ген» (Н. Flor, 1940), выделены
фитоалексины — низкомолекулярные антибиотические вещества растенияхозяина. Последние способствуют отмиранию и гибели патогена в
некротизированных участках тканей хозяина (К. M?ller, H. B?rger, 1940, 1941).
Синтез фитоалексинов индуцируется метаболитами патогена (А.П. Дмитриев,
1999). По этой причине многократно делались попытки повышать устойчивость
ряда культурных растений обработкой их вы» тяжками микроорганизмов или
ослабленными культурами фитопа* тогенов (J. Rau, 1901; К. Chester, 1933; A.
Sinha, N. Das, 1972? R.Carrol, F. Lukezig, 1972). Для защиты растения-хозяина от
патогенов важна роль лигнификации стенок клеток, образования перидермы
(препятствующей распространению патогена), синтеза фитонцидов и фенолов
(они задерживают развитие паразита). Феноль-' ные соединения разнообразны и
они выполняют не только функции защиты от патогенов (фитоалексины), но
служат компонентами: окислительно-восстановительных процессов, клеточного
сока и-оболочки клетки (М.Н. Запрометов, 1985, 1988, 1993). Они также
выступают как предшественники лигнина, суберина и кутина. Тер-пеноиды, как и
алкалоиды, оказывают положительное влияние на иммунитет растений и
предохраняют их от поедания животными (R.E. Clook, 1981). Показана роль
генного контроля в синтезе специфических фитоалексинов.
В фитопатологии под специфичностью патогена подразумевают его способность
заражать определенное растение путем взаимодействия их генов синтезом
соответствующих метаболитов. При этом речь идет о том, что между растениемхозяином и патогеном устанавливается взаимодействие по принципу «ген против
гена», что осуществляется синтезом противоборствующих веществ в их клетках.
Число таких веществ, играющих роль в системе хозяин-паразит, непрерывно
растет по мере изучения разных видов. В этом смысле следует иметь в вид)'
характеристику иммунитета растений Н.И. Вавиловым (1966) как «сумма
множества слагаемых».
В эволюции растений устанавливается определенное равновесие в этой системе,
что связано с отбором соответствующего патогена для данного растения из
множества существующих в природе патогенов. Благодаря такому
взаимодействию вырабатывается сверхчувствительность растений, приводящая к
быстрому отмиранию инфицированных клеток (апоптоз) и гибели патогена.
Контрольные вопросы. 1. Дайте характеристику неспецифической и специфической защитной функции организмов и укажите, какие органы несут
ведущую роль в создании этих функций. 2 Клеточные факторы защиты, роль
клеток белой крови, их развитие в онтогенезе 3. Иммуноглобулины, их классы,
место синтеза и основные особенности в структуре молекулы, 4.
Наследственные болезни у основных видов сельскохозяйственных животных. 5.
Методы выявления наследственных аномалий и болезней. 6. Использование
индекса генетической устойчивости в селекции скота. 7. Генетический
полиморфизм белковых систем у птицы и связь с ними резистентности.
ИММУНОГЕНЕТИЧЕСКИЙ И БИОХИМИЧЕСКИЙ БЕЛКОВЫЙ
ПОЛИМОРФИЗМ
Генетический полиморфизм отражает важнейшие особенности внутривидовой и
межвидовой изменчивости, обусловленной наследственностью. Под
генетическим полиморфизмом понимают наличие в популяции одновременно
нескольких аллельных состояний гена конкретного локуса, определяющих
формирование разных фенотипов данного признака. Термин «полиморфизм»
введен Е. Фордом в 1945 г. применительно к различным признакам,
обусловленным наследственностью.
Наличие в локусе нескольких аллельных состояний гена увеличивает
генетическую изменчивость в популяции и сопровождается образованием
гетерозиготных генотипов, которые благоприятствуют выживанию
гетерозиготных особей Гетерозиготность локуса делает возможным подавление
доминантным аллелем А вредных рецессивных аллелей а (А>а) или создание
преимущества для организма за счет сверхдоминирования, когда
генотип Аа оказывает большее положительное влияние, чем генотип АА
(Аа>АА).
Гетерозиготность локуса может проявляться как в структурах иммунных систем
антигенов, повышая защитные функции организма, так и в виде
биохимического полиморфизма, когда разнообразие белковых или ферментных
веществ, обусловленных разными аллелями данного локуса, создает в
организме возможности более гибкого взаимодействия со средой
В практике селекции важное значение имеет обнаружение проявляющих
полиморфизм наследственно обусловленных признаков, которые либо сами
являются предметом селекции, либо используются в косвенной селекции в
качестве генетических маркеров хозяйственно полезных признаков, на
совершенствование которых должна быть направлена селекция
Наследственно детерминированные биологические системы, такие как
иммуногенетические образования в виде групп крови, а также генетически
обусловленные полиморфные биохимические вещества (белки и ферменты
крови, молока и других тканей организма), подтверждают наличие
генетического полиморфизма. Их применение основано на том, что группы
крови и полиморфные системы белков не изменяются в процессе онтогенеза и
являются пожизненной генетической характеристикой каждой особи.
Иммуногенетика. Новое направление в иммунологии начало формироваться с
открытием К. Ландштайнером в 1900 г специфических реакций эритроцитов
крови, происходящих при переливании крови у человека. Было показано, что
существует определенная система эритроцитарных групп, которые были
названы группами крови. К настоящему времени у человека зарегистрировано
14 эритроцитарных систем групп крови. Генетику групп крови начали
исследовать Дунгер и Гиршфельд (1910 г.), затем это было дополнено и
получило объяснение в работах Бернштейна (1924 г.)
В 1947 г новое направление в биологии было названо иммуногенетикой. В
основе ее объединены иммунологические и генетические методы, выявляющие
особенности реакции между эритроцитарными антигенами и антителами.
Иммуногенетические исследования применительно к животным были начаты в
работах американских исследователей Оуэна, Стормонта и Ирвина (1944), затем
Неймана и Серенсена (1956), Ренделя (1958). С 1957 г создана школа
иммуногенетиков в Чехословакии (Матоушек) В 60-х годах развернуты
исследования в Венгрии (Ромвари и др., 1961), в ГДР (Буш, 1963), Японии
(Хосода, 1965) и в других странах
В нашей стране исследования в области иммуногенетики у
сельскохозяйственных животных были начаты в 60-е годы. В настоящее время
работа проводится во всех научно-исследовательских институтах
животноводства союзных республик и во многих учебных
сельскохозяйственных институтам Изучение антигенов эритроцитов
осуществляется в племенных хозяйствах у всех основных видов
сельскохозяйственных животных: крупного рогатого скота, лошадей, свиней,
овец, птицы, пушных зверей, рыб. В последнее десятилетие в сферу
иммуногенетических исследований вошло изучение антигенов белых клеток
крови, спермиев и ряда других биологических объектов.
Особенности генетики эритроцитарных антигенов. Для изучения и
тестирования эритроцитарных антигенов в иммуногенетике применяют методы
серологических реакций: реакции гемолиза эритроцитов, агглютинации,
преципитации и др. С помощью этих тестов определяют индивидуальную
антигенную характеристику у отдельных особей. Эритроцитарные антигены
еще называют «кровяными факторами»
Эритроцитарные антигены представляют собой сложные биополимерные
макромолекулы, которые накапливаются на оболочке (строме) эритроцитов и
соединяются с молекулами веществ оболочки. Структура и химический состав
эритроцитарных антигенов разнообразны и характерны для каждой особи того
или иного вида. Молекулы антигенов содержат мукополисахаридные
комплексы, Основа биосинтеза эритроцитарных антигенов определяется
действием генов и структурами ДНК и РНК.
Антигены имеют различную специфичность: видовую, групповую, типовую,
патологическую, органоидную, функциональную. Антигенные особенности
обусловлены последовательностью и качественными различиями аминокислот,
а также особенностями строения первичной полипептидной молекулы антигена.
На поверхности молекулы антигена имеются наиболее активные участки —
детерминантные группы, которые определяют специфичность антигена.
Синтез каждого эритроцитарного антигена обусловлен действием одного гена.
Антиген может наследоваться отдельно от других антигенов, проявляя чаще
всего доминантный или кодоминантный тип наследования, и только в редких
случаях наблюдается рецессивное наследование некоторых антигенов. Кроме
отдельного наследования каждого антигена, наблюдается совместное
наследование определенного сочетания нескольких антигенов. Это явление
вызвано полным сцеплением тех генов данного локуса, которые детерминируют
синтез совместно наследуемых антигенов.
Системы антигенных локусов группы крови и антигены с 1928 г. принято
обозначать буквами латинского алфавита. Антигены обозначают прописными
или строчными буквами латинского алфавита, но так как число антигенов
велико и букв алфавита не хватает, их записывают с надстрочными или подстрочными индексами в виде штриха или цифры. Например, разные антигены
получают обозначения: А, В, С, D, А1, В1 С1 D1 и т. п. Следует помнить, что А и
А1 или D и D1 — это разные антигены, не связанные ни генетически, ни
иммунологически друг с другом. Иногда антиген обозначают двумя буквами:
строчной и прописной; так, некоторые антигены свиней записывают
следующим образом: Ea, Ее, Ed.
Антигены некоторых систем образуют группы с определенной комбинацией
входящих антигенов — феногруппы. Число антигенов в феногруппе системы
локуса В включает 12 антигенов: В, G, К, О2, Y1, А´, В', Е3', G', К', О', Y'. Для
упрощения записи таких феногрупп вводят цифровой код, поэтому указанная
феногруппа обозначается буквой системы и кодовым числом: В28.
Одиночные или сцепленно наследуемые в виде постоянного сочетания
антигены, которые передаются от родителей потомкам как наследственные
единицы, называют группами крови.Каждая группа крови наследуется как
определенная генетическая единица. В состав конкретной группы крови может
входить один или несколько антигенов. Например, упомянутая феногруппа 528
из системы B крупного рогатого скота участвует в образовании группы крови со
следующим антигенным составом. В, G, К, 02 ,Y1, A', E3', К'.
Контроль каждой группы крови обусловлен действием генов одного локуса и
его аллелями.
Под аллелем подразумевают такой элемент генетической системы организма,
который характеризует различные состояния гена определенного локуса. Ген
может иметь один аллель или несколько, и тогда образуется серия аллелей
данного гена. Каждое животное в генотипе соматических клеток идет два аллеля
локуса — один от матери, другой от отца, В иммуногенетике аллелем служит
один антиген или комплекс антигенов, передаваемый как одно целое от
родителей потомку. Если отсутствует один из аллелей, то такое состояние гена в
локусе считается рецессивным и тогда генотип животного выражают в виде
дроби, в числителе и знаменателе которой для отсутствующего аллеля ставят
прочерк. Например, при наличии одного аллельного состояния антигена А и
отсутствии его второго аллеля генотип животного записывают так: А/ — или —
/А.
Совокупность групп крови, контролируемых аллелями одного локуса,
образует систему крови. Каждой системе крови присваивают определенное
буквенное обозначение. Число уже открытых систем и входящих в каждую
антигенов у животных разных видов неодинаково (табл. 41).
Системы групп крови подразделяют на простые, сложные, закрытые,
открытые Если система содержит один-два антигена и имеет два аллеля — это
простая система; например, у крупного рогатого скота это системы L, N.
Сложная система характерна тем, что в нее входят три антигена и более,
образующих комплексные группы (системы В, С у крупного рогатого скота).
Закрытые системы отличаются тем, что генотипы животных можно выявить по
антигенам эритроцитов. Открытые системы — это системы групп крови» при
которых генотип животного можно установить по фенотипу только у некоторых
гомозигот.
Эритроцитарные антигены и группы крови изучены у ряда других видов
животных: кроликов, норок, крыс, мышей, собак, уток, индеек, верблюдов,
северных оленей, рыб, китов и др.
Каждая генетическая система крови определяется аллелями какого-либо одного
локуса и наследуется независимо одна от другой. При этом каждый аллель
определяет образование одного эритроцитарного антигена. Если локус имеет
два аллельных состояния, то это вызывает формирование двух или трех генотипов и соответствующее количество фенотипов, например, си-
Свойства генетического кода
Генетический код универсален — един для всех организмов (вирусов,
бактерий, растений, животных и человека).
Код триплетный. Местоположение каждой аминокислоты кодируется
сочетанием строго определенных трех нуклеотидов в мРНК, образующих
один специфический кодон.
1.
Код вырожденный. Одна аминокислота может кодироваться несколькими
(от одного до шести) кодонами. Только две аминокислоты кодируются
одним триплетом — метионин (АУГ) и триптофан (УГГ).
2.
Код неперекрывающийся. Нуклеотидная последовательность считывается
подряд в одном направлении — от 5' к 3', триплет за триплетом.
3.
Кодон АУГ, находящийся в начале мРНК на конце 5', является
инициатором синтеза полипептидной цепи. Если данный кодон находится
в середине мРНК, то он кодирует аминокислоту метионин.
4.
Кодоны УАГ («амбер»), УАА («охра») и УГА («опал») являются
терминаторами (стоп-сигналами) синтеза. Когда считывание генетической
информации в мРНК доходит до одного из этих кодонов, дальнейший
синтез прекращается и полипептидная цепь отделяется от рибосомы.
Следовательно, в каждой клетке в молекулах ДНК закодирована вся
генетическая информация, которая может быть реализована в онтогенезе через
биосинтез в виде биохимических процессов, физиологических свойств и
морфологических признаков.
Регуляция активности генов. Изучение химического состава клеток,
полученных из разных тканей одного многоклеточного организма, показывает,
что каждая из них содержит разный, относительно небольшой набор белковых
молекул, хотя все они имеют одинаковый набор хромосом и, следовательно,
единую генетическую информацию. Так, у бактерии E. coli в одной клетке в
различные периоды ее жизнедеятельности комплекс ферментов бывает разный.
Все это дало основание предположить, что в клетке имеется механизм,
регулирующий активность генов, определяющий, какие гены в данный момент
должны быть активными и каким следует находиться в неактивном, репрессированном состоянии.
Механизм регуляции генетического кода был открыт французскими учеными Ф.
Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. на бактериях Е. coli и получил
название механизма индукции-репрессии. Было установлено, что синтез
соответствующих белков — ферментов — индуцируется веществом, служащим
субстратом для данного фермента и необходимым для нормальной жизнедеятельности клетки. Так, например, для нормальной жизнедеятельности Е. coli необходим молочный сахар (лактоза) и в ее геноме содержатся
гены, контролирующие синтез ферментов, гидролизующих лактозу до простых
соединений. Если среда, в которой находятся бактерии, лактозы не содержит,
эти гены пребывают в репрессированном состоянии и не функционируют.
Внесенная в среду лактоза будет тем индуктором, который включает в работу
данные гены, и в клетке начинается синтез ферментов, гидролизующих лактозу
до более простых соединений. После удаления лактозы из среды синтез этих
ферментов прекращается (рис. 39).
Роль репрессора может выполнять и вещество, синтезируемое в клетке, если
содержание его превышает норму. Например, если синтезируются нуклеотиды,
аминокислоты, и другие вещества и содержание их превышает количество,
необходимое данной клетке, каждое из них может быть репрессором и
подавлять работу генов, синтезирующих ферменты, необходимые для данного
биохимического процесса.
Механизм индукции-репрессии обеспечивает включение (индукцию) в работу
тех генов, которые синтезируют необходимые на данном этапе
жизнедеятельности клетки ферменты. Работа генов прекращается
(репрессируется), когда деградируемый данными ферментами субстрат
израсходован или когда синтезируемое данными ферментами вещество
находится в избытке. У высших организмов процесс регуляции работы генов
осуществляется более сложно: у животных важную роль в этом процессе
играют гормоны, клеточные мембраны; у растений — условия внешней среды, в
том числе и окружающие клетки.
Раскрытие механизма регуляции генетического кода показало сложное строение
локализованного, а молекуле ДНК генетического аппарата. Гены,
непосредственно кодирующие синтез соответствующих ферментов,
называют структурными генами. Они входят в состав оперона, работу которого
регулирует ген-регулятор. Как правило, структурные гены в опероне находятся
в состоянии репрессии. Ген-регулятор расположен на особом участке молекулы
ДНК и кодирует синтез специального белка, называемого репрессором. Работой
структурных генов управляют находящиеся в опероне гены, не имеющие
кодирующих функций. Их называют акцепторными генами. Система акцепторных и структурных генов образует один оперон.
Акцепторные гены служат местом прикрепления различных белков,
регулирующих работу структурных генов. Если лактоза, проникая в клетку (ее в
данном случае называют индуктором), блокирует белки, кодируемые геномрегулятором, то они теряют способность присоединяться к гену-оператору. Геноператор переходит в активное состояние и включает в работу структурные
гены. РНК-полимераза с помощью Cap-белка присоединяется к промотору и,
продвигаясь по оперону, синтезирует про-мРНК. При транскрипции мРНК
считывает генетическую информацию со всех трех структурных гейов в одном
опероне. При трансляции на рибосоме происходит синтез трех разных
полипептидных цепей, в соответствии с содержащимися в мРНК кодонами —
последовательностями нуклеотидов, обеспечивающих инициацию и
терминацию трансляции каждой цепи.
Тип регуляции работы генов, рассмотренной на примере лак-тозного оперона,
называется негативной индукцией синтеза белка. Другим типом регуляции
работы генов служит негативнаярепрессия, изученная у Е. coli на примере trpоперона, контролирующего синтез аминокислоты триптофана. Этот оперон состоит из 6700 пар нуклеотидов и содержит 5 структурных генов, ген-оператор и
два промотора. Ген-регулятор обеспечивает постоянный синтез регуляторного
белка, который не влияет на работу frp-оперона. При избытке в клетке
триптофана последний соединяется с регуляторным белком и изменяет его
таким образом, что он связывается с опероном и репрессирует синтез соответствующей мРНК.
Известна также и так называемая позитивная индукция, когда белковый продукт
гена-регулятора активирует работу оперона, то есть является не репрессором, а
активатором. Деление это условно, и строение акцепторной части оперона,
действие гена-регулятора у прокариот весьма разнообразны.
Число структурных генов в опероне у прокариот колеблется от одного до
двенадцати; оперон может иметь либо один, либо два промотора и терминатора.
Все структурные гены, локализованные в одном опероне, как правило,
контролируют систему ферментов, обеспечивающих одну цепь биохимических
реакций. Несомненно, что в клетке существуют системы, согласующие
регуляцию работы нескольких оперонов. Схема регуляции генетического кода и
работы генов, установленная для прокариот, в основе своей вполне приемлема и
для объяснения данного процесса у эукариот, но имеются и существенные различия.
Регулирование транскрипции у эукариот. Существуют механизмы
одновременного подавления активности большой группы генов у эукариот,
осуществляемого белками-гистонами. Сигнальные функции в животных клетках
выполняют гормоны, являющиеся индукторами синтеза соответствующих
мРНК.
Активная работа структурных генов у эукариот зависит от того, какую функцию
выполняет клетка в соответствующих ткани или органе. Значительная часть
генов в ядрах дифференцированных клеток находится в репрессированном
состоянии, при этом большое значение имеет тормозящее действие гистонов и
негистоновых хромосомных белков на синтез ДНК-зависимой РНК. Сильно
сконденсированный хроматин (гетерохроматин) генетически малоактивен.
Условно структурные гены эукариот могут быть по их активности
подразделены на несколько типов. К первому типу могут быть отнесены гены,
функционирующие во всех клетках организма. Это гены, кодирующие
ферменты энергетического обмена, ферменты, необходимые для синтеза
аминокислот, а также гены, контролирующие образование мембранных и
других структурных белков. Ко второму типу можно отнести гены,
функционирующие в клетках тканей одного типа, например гены,
контролирующие синтез миозина в мышечных клетках, коллагена— в костях и
т. д. К третьему типу могут быть отнесены гены специализированных клеток,
выполняющие важные, но узкие функции — синтез глобина в эритроцитах,
гормонов в эндокринных железах и т. д.
О работе генов обычно судят по типам мРНК, находящихся в цитоплазме. В
одной клетке животных содержится от 10 до 20 тыс. разных мРНК, но большая
часть из них представлена небольшим (порядка 10) числом копий, что
свидетельствует о слабой работе генов, их синтезирующих. И только около 10%
типов мРНК, то есть около 1—2 тыс., имеют от 1000 до 150 тыс. копий, что
свидетельствует об активной работе соответствующих генов. Число типов
мРНК и их копий зависит от функции клетки. Наибольшее разнообразие мРНК
содержится в клетках мозга.
Характерно, что в отличие от прокариот мРНК в клетках эукариот может
сохраняться довольно продолжительное время, не теряя своих функций. Так,
например, у животных ряд типов мРНК синтезируется в оогенезе, сохраняется в
яйцеклетке и начинает функционировать на рибосомах после оплодотворения,
оказывая значительное влияние на эмбриональное развитие.
В отличие от прокариот в опероне эукариот содержится обычно только один
структурный ген. Структурные гены, контролирующие синтез комплекса
ферментов, необходимых для цепи биохимических реакций по синтезу или
гидролизу одного вещества, находятся в разных молекулах ДНК или в разных
оперонах одной молекулы ДНК, поэтому для эукариот характерна групповая
регуляция работы нескольких генов, принадлежащих разным оперонам.
У животных сигнальными веществами являются различные гормоны, В клетках
вырабатывается специфический белок-рецептор, обладающий способностью
связываться с гормоном, который приобретает свойство индуцировать работу
одного или нескольких генов, Наиболее изучен этот процесс для половых
гормонов, В настоящее время обнаружены и другие сигнальные вещества, так
называемые эмбриональные индукторы, а также вещества, попадающие в
организм извне.
У эукариот возможна регуляция синтеза белков на уровне трансляции, При этом
имеют значение типы тРНК и ферментов, активирующих соответствующие
аминокислоты, а также вырожденность генетического кода. Большая часть
аминокислот кодируется несколькими кодонами, получившими
названия изоакцепторных кодонов. Одна и та же аминокислота может доставляться на мРНК несколькими типами тРНК. Так, кодирование аминокислоты
лейцина может происходить посредством кодонов ЦУЦ, ЦУУ, ЦУГ. Процесс
трансляции зависит также от состояния тРНК, рибосом, наличия или отсутствия
соответствующих ферментов, в том числе и способных модифицировать готовые белковые молекулы.
Из приведенного следует, что молекула ДНК в процессе биосинтеза
осуществляет реализацию наследственной информации. Этот процесс, несмотря
на некоторые особенности, характерные для прокариот и эукариот, является, по
сути, единым для всего органического мира путем воплощения наследственной
информации в свойства и признаки.
Современное представление о гене как единице наследственности. В
представлении Г. Менделя единицей наследственности был фактор,
контролирующий проявление в доминантном или рецессивном состоянии
одного признака. В дальнейшем понятия о гене были развиты в работах Т.
Моргана, который показал, что ген — это локус (участок) хромосомы,
занимающий в ней строго определенное положение.
В современном понимании ген — это функциональная единица молекулы ДНК,
контролирующая последовательность аминокислот в кодируемой
полипептидной цепи. Специфичность гена определяется числом нуклеотидов и
их уникальной последовательностью. Ген имеет определенную величину,
выраженную числом нуклеотидов и молекулярной массой. Ген, кодирующий
синтез полипептидной цепи, называется структурным. Он является составной
частью оперона, имеет сложную систему регуляции, осуществляемой
акцепторными генами. Для каждого структурного гена характерна уникальная
последовательность нуклеотидов, позволяющая его идентифицировать.
Структурный ген является дискретной целостной единицей, кодирующей синтез
одной полипептидной цепи. Любое изменение порядка чередования
нуклеотидов — выпадение, добавление или замена хотя бы одного нуклеотида
— инактивирует структурный ген или изменяет его функцию.
Ранее отмечено, что для структурных генов эукариот характерно мозаичное
строение (рис. 40): участки молекулы ДНК, кодирующие аминокислоты в
полипептидной цепи, — экзоны (кДНК) чередуются с участками, которые не
обладают этой способностью, — нитронами.
Акцепторные гены каждого оперона обладают высокой специфичностью — к
ним могут присоединяться только определенные молекулы белка, в том числе
белок-репрессор, подавляющий активность структурных генов, Cap-белок, а
также ферментативное белки, обеспечивающие репликацию и транскрипцию.
Доля структурных и акцепторных генов в общей ДНК в геномах разных
организмов колеблется от 98 до 15%. Остальная часть ДНК генома
получила название избыточной ДНК. Особенно много избыточной ДНК
содержится 8 геномах растений. Для избыточной ДНК характерно
наличие повторов — одинаковых последовательностей нуклеотидов. Р. Бриттен
и Д. Кон в 1968 г. установили, что у мыши 70% ДНК составляют уникальные
последовательности нуклеотидов, а 30% — повторы; у человека — 66%
уникальные последовательности, а 34% — повторы.
Повторы ДНК у эукариот могут иметь различную природу. Некоторые
структурные гены, имеющие уникальную последовательность нуклеотидов,
могут быть представлены несколькими копиями. Гены, кодирующие гистоны —
основные белки, входящие в состав хромосом, в молекуле ДНК представлены
различным числом копий, например, в гаплоидном геноме мыши содержится 30
структурных генов, кодирующих гистон Н4. У животных имеются повторы
структурных генов, кодирующих глобин, иммуноглобулин, интерферон и
другие жизненно важные молекулы белка. Среди повторов генов имеются
нефункционирующие гены, которые из-за выпадения или добавления нуклеотида потеряли способность синтезировать мРНК. Их называютпсевдогенами.
Особенно многократно в молекуле ДНК встречаются повторы структурных
генов, контролирующих синтез рибосомальной и транспортной РНК. Так, в
гаплоидном геноме лягушки имеется около 8000 генов тРНК, в геноме курицы
— около 100 генов рРНК, в геноме дрозофилы их около 130.
В ДНК геномов содержатся и другого рода повторы. Они представляют собой
короткие последовательности нуклеотидов, каждый из них содержит около 300
нуклеотидных пар, а также 40000—80000 повторов В1, содержащих
приблизительно по 140 нуклеотидных пар.
В составе избыточной ДНК у эукариот в довольно большом количестве
содержатся последовательности нуклеотидов, генетическая роль которых пока
еще остается невыясненной. Они получили название сателлитной ДНК, которая
представляет собой последовательности, состоящие из нескольким нуклеотидных пар. У мыши они состоят из 6 пар нуклеотидов, в том числе 5 пар AT и
пары ЦГ; у морской свинки сателлитная ДНК состоит из 6 пар нуклеотидов, в
том числе 3 пар ЦГ и 3 пар ТА, АГ и AT. Блоки (кластеры) сателлитной ДНК
преимущественно сосредоточены в гетерохроматиновых районах хррмосом,
расположенных около центромеры.
Транспозоны. В течение длительного времени считалось, что положение генов в
хромосоме и, следовательно, в молекуле ДНК является строго фиксированным,
хотя Б. Мак-Клинток еще в 1953 г. доказала, что в геноме кукурузы содержатся
так называемые подвижные генетические элементы. В 1975—1977 гг. советский
ученый Г. Н. Георгиев обнаружил в геноме дрозофилы гены, представленные
десятками копий и рассеянные по разным хромосомам. Им было установлено,
что эти гены являются подвижными или «прыгающими», так как могут быть
локализованы у разных линий и даже у отдельных особей в разных хромосомах
и в разных локусах одной хромосомы.
Перемещение фрагмента ДНК, содержащего ген или гены, из одной хромосомы
в другую, им несвойственную, называется транспозицией. Фрагменты ДНК,
способные перемещаться из одной хромосомы в другую или из одного локуса в
другой называют транспозонами. Транспозиция включает два процесса:
эксцизию и инсерцию. Эксцизией называется освобождение транспозона из
молекулы ДНК, в которую он был встроен, а инсерцией — процесс встраивания
транспозона в новый локус ДНК.
Транспозоны условно можно разделить на несколько классов. Один из них,
наиболее изученный и широко представленный, Г. П. Георгиев обнаружил у
дрозофилы и назвал их «мобильные диспергированные гены» (МДГ). У
дрозофилы имеется около 20 семейств таких МДГ, каждое из которых содержит
от 10 до 150 копий, локализация которых в геноме сильно варьирует.
Характерной особенностью МДГ являются одинаково ориентированные длинные концевые повторы (ДКП). ДНК МДГ содержит 5—10
тыс. нуклеотидных пар, в том числе 250—1500 нуклеотидных пар — это ДКП.
Образование большого числа копий МДГ происходит следующим образом: на
матрице ДНК в локусе МДГ-элемента синтезируется РНК, на которой при участии фермента обратной транскриптазы образуется много копий фрагментов
ДНК, соответствующих МДГ, которые внедряются в новые локусы ДНК генома.
В ДКП МДГ-элементов имеются сигнальные последовательности для начала и
окончания транскрипции, а также усилители (энхансеры), резко увеличивающие
интенсивность транскрипции. Они содержат также оперон, кодирующий
обратную транскриптазу.
Другой класс активных транспозонов (МДГ) включает последовательности
ДНК, кодирующие фермент транспозазу, который отвечает за транспозицию
МДГ — вырезание и встраивание транспозонов. К ним относят хорошо
изученные Р-элемент дрозофилы и Ас-элемент кукурузы.
К особому классу можно отнести пассивные транспозоны — фрагменты ДНК,
которые ничего не кодируют, но многочисленные копии которых могут служить
субстратом для транспозазы. К их числу могут быть отнесены и длинные
обращенные повторы, и даже некоторые МДГ-элементы.
К транспозонам относят также и другие участки генома, если они активно
синтезируют РНК, а затем при участии фермента ревертазы образуют
многочисленные копии ДНК, кото-рые вставляются в различные участки
генома. К их числу относятся два класса коротких транспозонов мыши,
названные В1 и В2; В1 содержит 130, В2— 190 пар нуклеотидов. Они рассеяны
по всему геному, и почти в каждом фрагменте ДНК содержится В1 или В2, или
оба. Находясь в ДНК генома, они активно транскрибируют РНК, а затем при
участии обратной транскриптазы образуют огромное число копий (в клетке
может содержаться до 100 000 копий каждого транспозона).
В геноме человека также обнаружены В1 и В2, а также
транспозон А1и содержащий 300 пар нуклеотидов и представленный 300 000
копиями.
Транспозиция играет значительную роль в реализации наследственной
информации и может быть причиной наследственного изменения признака
(мутации). Многие транспозоны служат матрицами для транскрипции мРНК,
кодирующей различные ферменты, в том числе обратную транскриптазу.
Внедряясь в новые локусы генетического аппарата клетки, транспозоны влияют
на работу окружающих генов. Иногда внедрившийся транспозон изменяет
структуру гена вплоть до создания нового, несвойственного данному локусу.
Транспозоны могут вызвать глубокие перестройки генома, в том числе делеции,
инверсии, транслокации. Для разных генетических локусов от 10 до 90% всех
спонтанных мутаций являются результатом транспозиции МГД.
В обычных условиях транспозиция происходит весьма редко, но под действием
некоторых факторов наблюдаются так называемые транспозиционные взрывы,
когда в клетке сразу перемещается большое число транспозонов, относящихся к
разным классам.
В последние годы установлено, что транспозиция и образование большого
числа повторов МДГ сходны с ретровирусами птиц и
млекопитающих. Ретровирусами называют вирусы; у которых генетическая
информация записана на РНК (РНК-содержащие вирусы). Когда такой РНКсодержащий вирус проникает в клетку, при участии фермента обратной
транскриптазы синтезируются ДНК-копии РНК вируса. ДНК внедряется в
различные локусы генома клетки и становится составной частью молекулы
ДНК. Такую ДНК называют провирусом. В геноме мыши может содержаться
несколько семейств провирусов, локализованных в разных локусах ДНК. На
этих ДНК может синтезироваться РНК и даже могут образовываться
вирусоподобные частицы, но инфекционный вирус не возникает. Вирусы,
информация о которых содержится в ДНК высших организмов, получили
название эндогенных вирусов (ЭВ), а кодирующие их генетические элементы —
эндогенных провирусов (ЭП). Так, у кур выявлено 29 локусов ЭП, которые
встречаются в различных сочетаниях и с разной частотой. Ни один из локусов
ЭП не является обязательным элементом генома кур.
Подавляющее большинство ЭП дефектны и не могут кодировать вирионы,
поэтому они не являются инфекционными для родительских клеток. Вместе с
тем некоторые ЭП следует рассматривать как генетические факторы риска,
повышающие вероятность начала канцерогенного процесса или появления
нового онкогенного вируса.
Контрольные вопросы. 1. Каким образом ДНК сохраняет, передает и реализует наследственную информацию? 2. Какую функцию выполняет каждый
входящий в оперон фрагмент ДНК? 3. Свойства генетического кода 4. Что такое
«ген» в современном понятии? Функции и свойства генов различных типов. 5.
Как осуществляется синтез и выделение генов? 6. Народнохозяйственное
значение генетической инженерии.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Термин «биотехнология» появился в середине 70-х годов в связи с успехами в
области генетической инженерии, биохимии, микробиологии и других смежных
областей биологической науки. Современная биотехнология представляет
собой новую форму промышленной технологии, основу которой составляют
биологические объекты — животные, растения, ткани различных органов,
соматические клетки, размножаемые вне организма, микроорганизмы —
бактерии, грибы. В основе биотехнологии — генетическая инженерия.
Генетической инженерией называют область молекулярной генетики,
разрабатывающую методы конструирования новых функционально активных
генетических программ. Датой зарождения генетической инженерии принято
считать 1972 г., когда П. Берг с сотрудниками (США) создали первую рекомбинантную молекулу ДНК. Она состояла из фрагмента ДНК, взятого у
обезьяньего вируса ОВ40, и бактериофага λ с галактозным
опероном Е. colt. Важную роль в генетической инженерии играют ферменты, с
помощью которых можно получать определенные фрагменты ДНК исшивать их,
например рестриктазы (рестригирующие эндонуклеазы) илигазы, которые
лишены видовой специфичности, поэтому можно получать фрагменты ДНК и
сшивать их независимо от того, из одного или разных организмов они
выделены. Большое значение для развития генетической инженерии имеет
метод секвенирования (расшифровки) первичной структуры ДНК,
разработанный в 1977 г. Ф. Сенджером и У. Гильбертом. Этот метод позволяет
определить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК с предельным
разрешением в один нуклеотид.
Генетическая инженерия как метод конструирования генетических программ
включает ряд сложных приемов, объединяющих усилия биохимиков, генетиков,
микробиологов:
синтез или выделение соответствующего гена (или генов);
включение данного гена в вектор, обеспечивающий его размножение
(клонирование);
трансгеноз — перенос гена с помощью вектора в клетку-рециент и включение
в ее геном;
функционирование гена в клетке-реципиенте (адаптация гена).
Синтез генов. Впервые химический синтез гена осуществил в 1969 г.
работающий в США индийский ученый X. Г. Корана с сотрудниками. Он
синтезировал ген (участок молекулы ДНК), кодирующий синтез аланиновой
тРНК пекарских дрожжей. Этот ген состоит из 77 пар нуклеотидов,
последовательность которых была известна. Вначале синтезировали мелкие
фрагменты ДНК, содержащие от 4 до 13 нуклеотидных пар, затем с помощью
фермента лигазы их соединили в соответствующем порядке, но данный ген был
не в состоянии синтезировать аланиновую тРНК так как не содержал
акцепторной системы.
В 1976 г. в лаборатории X. Г. Кораны был синтезирован фрагмент ДНК,
включающий структурный ген супрессорной тирозиновой тРНК длиной 126 пар
нуклеотидов, промотор, состоящий из 52 пар нуклеотидов, и терминатор,
имеющий 21 пару нуклеотидов. К концам молекулы ДНК были прикреплены так
называемые «липкие концы», состоящие из чередования нуклеотидов ААТТ
(один конец) и ТТАА (другой конец). Благодаря этому данный ген был встроен в
геном фага и нормально в нем функционировал. Таким образом, была показана
возможность искусственного синтеза генов. Метод позволяет синтезировать
относительно мелкие гены, содержащие небольшое число пар нуклеотидов.
Гены, кодирующие ферменты или структурные белки, состоящие из тысячи и
более нуклеотидных пар, рациональнее создавать методом ферментативного
синтеза с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы). С
помощью данного фермента с мРНК могут быть получены точные копии ДНК
(кДНК).
Ферментативный синтез может быть схематично представлен следующим
образом. В пробирку, содержащую физиологическую бесклеточную среду,
вносят дезоксинуклеотидтрифосфаты всех четырех типов (А, Г, Т, Ц), фермент
ревертазу, мРИК, кодированную природным геном, копию которого
планируется получить. В качестве «затравки», ускоряющей реакцию, вносят
небольшие участки молекулы ДНК, содержащие 8 — 10 повторов тимина. На
мРНК обратная транскриптаза синтезирует комплементарную ей нить ДНК.
Затем на синтезированной нити ДНК строится вторая комплементарная нить
ДНК. В результате получают фрагмент двойной спирали ДНК — точную копию
того гена, с которого была транскрибирована мРНК (рис. 41).
Описанным способом были синтезированы гены, кодирующие глобины
человека, кролика, мыши, утки, голубя, иммуноглобулин мыши, белок
хрусталика глаза быка, яичный белок и другие. Подобным образом можно
синтезировать структурные гены, не содержащие регуляторную часть оперона,
что ограничивает их функционирование.
Выделение генов. Впервые выделить ген методом трансдукции удалось Дж.
Бексвиту с сотрудниками. Они показали, что бактериофаг λ при размножении в
клетке Е. coli может захватить и встроить в свой геном полный лактозный
оперон бактерии вместе с примыкающим к нему геном-регулятором. Фрагмент
ДНК Е. coli встраивается 8 геном фага к в строгом порядке: структурные
гены z, а, у, оператор — о, промотор р и регулятор i. Применением денатурации
и центрифугирования из ДНК-фага был выделен лактозный оперон и генрегулятор E. coli. К сожалению, метод оказался сугубо специфичным для
данного гена и не может широко использоваться в генетической инженерии. В
настоящее время генетическая инженерия использует методы, позволяющие
одновременно выделить из молекулы ДНК фрагмент соответствующего гена и
встроить его в вектор, посредством которого он может быть размножен и
включен в геном клетки-реципиента.
Фрагменты ДНК, содержащие ген, чаще всего получают с помощью ферментов
— рестриктаз. Эти ферменты разрезают молекулу ДНК в строго определенном
месте, где находятся нуклеотиды, распознаваемые данной рестриктазой.
Например, рестриктаза EcoPI разрезает нить ДНК между аденином и гуанином,
находящимися в следующей последовательности. Г.ААТТ или ТТАА.Г (точка
указывает место разрезания ДНК). При этом образуются «липкие концы» —
комплементарные друг другу последовательности нуклеотидов — ААТТ и ТТАА,
благодаря чему они могут соединяться.
Векторами могут быть плазмиды, бактериофаги, вирусы, космиды. Векторы
включают фрагменты ДНК, соответствующие определенному гену, и переносят
их в клетку-реципиент.
Плазмиды — мелкие кольцевые молекулы ДНК, присутствующие в клетках
бактерий. Они содержат дополнительную генетическую информацию, способны
автономно, независимо от ДНК хромосом, реплицироваться; некоторые
плазмиды обладают способностью встраиваться в хромосому бактерии и выходить из нее; некоторые могут переходить из одной клетки в другую. В
генетической инженерии наиболее широко используются 3 типа плазмид,
обозначаемые символами F, Р и Col.
В качестве вектора используют так называемые рекомбинантные (гибридные)
плазмиды, в ДНК которых включены гены, выделенные из ДНК прокариот или
эукариот. Метод создания рекомбинантных плазмид — векторов был
разработан П. Бергом с сотрудниками в 1972 г. Ими была создана
рекомбинанрная плазмида, содержащая галактозный оперон Е. coli. В
настоящее время известно более 30 систем, позволяющих получать различные
векторы. Примером создания рекомбинантных плазмид может быть
следующий метод. ДНК плазмиды (например, ПБР 322) и ДНК интересующего
исследователя организма обрабатывают ферментом рестриктазой (например,
Бам 1), которая образует разрывы ДНК в строго определенных местах с
образованием липких концов. Затем оба препарата смешивают, фрагменты ДНК
плазмиды и ДНК донора соединяются липкими концами и образуется
рекомбинантная молекула ДНК. На соответствующих селективных средах
отбирают рекомбинантные плазмиды, содержащие соответствующий ген.
Д. Хелинский с сотрудниками в 1974 г. включил гены, кодирующие синтез
аминокислоты триптофана в ДНК плазмиды ColEl, и перенес рекомбинантную
плазмиду в клетки кишечной палочки Е. coli. Затем бактерию обработали
хлорамфениколом; число копий данной рекомбинантной плазмиды увеличилось до 400—500 на одну клетку, и она стала суперпродуцентом аминокислоты
триптофана. Таким путем были созданы штаммы бактерий-суперпродуцентов
вакцин к вирусам гепатита В, ящура, гриппа, аденовирусу и др.
В плазмиду могут быть включены природные или синтезированные гены. После
проникновения в клетку бактерии рекомбинантная плазмида может
функционировать и размножаться автономно либо включаться в ДНК
хромосомы бактерии. Таким методом в клетки бактерий были введены гены
человека и созданы штаммы бактерий-суперпродуцентов соматостатина, интерферона, брадикинина, гормоны роста человека, быка и других животных,
глобин животных и человека (рис. 42).
В 1980 г. с помощью плазмиды в клетки Е. coli был введен ген, контролирующий
синтез инсулина человека. Для этого из клеток человека была выделена зрелая
мрРНК, кодирующая синтез инсулина. С помощью обратной транскриптазы с
этой мРНК была получена комплементарная копия — кДНК. Цепочка мРНК была
разрушена и с помощью фермента ДНК-полимеразы синтезировали вторую
комплементарную нить ДНК. Чтобы синтезированный ген можно было встроить
в вектор, к его концу с помощью фермента лигазы были «пришиты» короткие
нуклеотидные последовательности — линкеры, которые узнаются рестриктазой
Бам 1. Плазмиду и кДНК обрабатывают рестриктазой Бам 1, затем ферментом
лигазой и получают рекомбинантную плазмиду, которую вводят в клетку бактерии, приобретающей способность синтезировать про-инсулин.
Вирусы часто используют в качестве векторов, проникающих в животные
клетки. Наиболее широко в генетической инженерии используют обезьяний
онкогенный вирус ОВ40 (SV40). Он относится к мелким вирусам, его ДНК
состоит из 5200 нуклеотидных пар. Геном этого вируса обладает способностью
встраиваться в хромосомы клеток млекопитающих. Иногда вирус ОВ40
превращается в вирион, в котором внутри белковой оболочки (капсиды)
содержится не ДНК вируса, а ДНК клетки-хозяина. С помощью ОВ40 гены β-цепи
гемоглобина мыши и кролика были перенесены в клетки обезьян, где они
активно функционировали.
Космиды — векторы, полученные путем объединения небольших фрагментов
ДНК бактериофага λ и плазмид. Космиды содержат гены, обеспечивающие их
размножение в бактерии, ген устойчивости к антибиотику тетрациклину и
особый участок из фага λ под названием «кос», который содержит все вещества,
необходимые для упаковки рекомбинантной ДНК в белковую головку фага.
Космида состоит из 35— 40 тыс. нуклеотидных пар. С помощью этих векторов
гены могут быть перенесены в бактериальные, растительные и животные
клетки, культивируемыеin vitro.
Большой интерес представляет перенос генов непосредственно в клетки
животных, но эта проблема находится пока еще в стадии разработки. В 1982 г.
Р. Палмиттер с сотрудниками ввел в мужской пронуклеус оплодотворенных яиц
мыши ген гормона роста крысы. Вектором служила рекомбинантная
плазмида pMGH, с которой был соединен ген. Ген гормона роста крысы
содержит 353 нуклеотидных пары ДНК. Он был введен в виде раствора,
содержащего около 600 копий рекомбинантной плазмиды, в 170 яйцеклеток
мыши, которые затем были трансплантированы в матки мышейвоспитательниц. Была получена 21 особь, шесть из них проявили гигантизм. В
клетках печени гигантских особей содержалось большое количество молекул
мРНК, кодирующих синтез гормона роста, а в крови отмечена высокая
концентрация этого гормона.
Все увеличивающееся количество данных о расшифровке куклеотидной
последовательности в ДНК на участках соответствующих генов обусловило
необходимость создания специальных автоматизированных систем для их
хранения и обработки. Такие системы созданы у нас в стране, в США и во
многих странах Западной Европы.
Генетическая инженерия на уровне хромосом и геномов. Одним из разделов
генетической инженерии является разработка методов по экспериментальному
переносу из одной клетки в другую целых хромосом. Метафазные хромосомы,
выделенные из клетки-донора, могут внедриться в клетку-реципиент путем
пикноцитоза. Хромосомы, внедрившиеся в чужую клетку, распадаются на
мелкие фрагменты; некоторые из них сохраняются на протяжении нескольких
поколений в цитоплазме клетки-реципиента. ДНК, содержащаяся в этих
фрагментах, может осуществлять синтез полипептидов. Так, например, в клетки
мыши (in vitro) была перенесена 17-я хромосома человека, содержащая гены,
контролирующие синтез тимидинкиназы и галактокц-назы. При размножении в
мышиных клетках данные гены довольно стойко функционировали. С. М.
Гершензон приводит пример использования данного метода в медицине при
лечении больных телассемией — тяжелым наследственным заболеванием,
обусловленным мутацией генов, кодирующих глобиновые белки —
полипептидные цепи α и β, в результате чего образуются дефектные
эритроциты. У больного телассемией берут небольшое количество
кроветворных клеток костного мозга, размножают их в культуре вне организма,
затем методами генетической инженерии вводят в них полноценные гены,
кодирующие глобин, обеспечивающий нормальное развитие эритроцитов. Такие клетки снова вводят в костный мозг того же больного, и они постепенно
замещают мутантные патологические эритроциты.
В животноводстве большой интерес представляют методы пересадки
клеточных ядер в цитоплазму другого животного —
получение цибридов. Например, у мыши извлекали неоплодотворенную
яйцеклетку, вводили в нее ядро соматической клетки другого животного и
трансплантировали ее в матку самки, гормонально подготовленной к
имплантации. Потомство было генетически тождественно той особи, у которой
было взято ядро.
Гибридизация соматических клеток. Одной из проблем генетической
инженерии является гибридизация соматических клеток, Впервые возможность
гибридизации клеток, культивируемых вне организма, установил в 1960 г. Ж.
Барский. В 1965 г. г. Харрис обнаружил, что эффективность гибридизации
соматических клеток резко повышается при обработке их инактивируемым
парагриппозным вирусом Сендай. В настоящее время разработаны и успешно
применяются методы, позволяющие добиться слияния клеток различных видов
млекопитающих и даже клеток систематически далеких организмов. Например,
клетки человека могут сливаться с клетками мыши, крупного рогатого скота,
курицы, комара и даже с клетками растений — моркови, табака.
Когда сливаются клетки относительно близких видов, то гибридная клетка
может делиться митотически. В процессе деления происходит потеря хромосом
одного из видов. Так, в гибридных клетках человек — мышь элиминируются
хромосомы человека, что позволяет установить локализацию в них соответствующих генов. Применяя цитогенетический анализ, устанавливают, какая из
23 человеческих хромосом содержится в гибридной клетке. С помощью
культивирования их на селективных средах определяют, какие гены в данной
хромосоме локализованы. Этим методом в настоящее время локализовано
порядка 2000 генов в хромосомах человека.
Получение аллофенных животных. Аллофенными называют химерные
организмы, содержащие разные ткани, произошедшие из клеток, полученных
от разных родителей. Б. Минтц получил аллофенных мышей путем образования
смешанной бластулы из клеток черных и белых мышей (рис. 43).
В последующих опытах соединяли бластомеры животных, различающихся по
другим признакам — окраске радужной оболочки, длине ушей и хвоста и др.
Для получения аллофенных потомков у беременных мышей, имеющих четко
выраженные альтернативные признаки, извлекали эмбрионы на стадии восьми
бластомеров и с помощью фермента проназы отделяли бластомеры.
Комбинируя бластомеры от двух (и более) эмбрионов, создали в специальной
питательной среде единый комплексный эмбрион, который ввели в матку
мыши, гормонально подготовленной к имплантации зародыша. Рождавшиеся
мышата представляли собой мозаиков, у них проявлялись признаки всех
родительских форм. Методика, разработанная на мышах, в последние годы
используется для получения аллофенных овец.
Контрольные вопросы. 1. Докажите, что ДНК принадлежит ведущая роль в
наследственности. 2. Каким образом ДНК осуществляет сохранение, передачу и
реализацию наследственной информации? 3. Какую роль выполняет каждый
фрагмент ДНК, входящий в оперон? 4. Какие свойства присущи генетическому
коду? 5. Что такое ген в современном понимании? Каковы функции и свойства
генов различных типов? 6. Каким образом осуществляются синтез и выделение
генов? Какие векторы вы знаете? 7. Народнохозяйственное значение
генетической инженерии.
Биология
ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ
Процесс индивидуального развития особи — онтогенез — начинается с акта
оплодотворения и заканчивается смертью. В процессе онтогенеза реализуется
наследственная информация, присущая генотипу данной особи. Она
определяет время, место и последовательность развития органов и признаков.
Онтогенез запрограммирован в генотипе особи, но осуществляется в конкретных условиях внешней среды, определяющей характер и возможности
реализации наследственной информации. При изучении закономерностей
индивидуального развития животного или растения большое внимание
уделяется процессу формирования органов —органогенезу. Постепенное
становление формы и функции каждого органа у данной особи в процессе ее
развития определяетморфогенез.
При изучении онтогенеза главной задачей является раскрытие
закономерностей конкретной реализации гена: каким образом ген,
локализованный в молекуле ДНК, контролирует развитие специфического
признака, характерного для вида, породы и отдельной особи.
У прокариот путь от гена к признаку относительно простой; ген контролирует
синтез фермента и его активность регулируется процессами, протекающими
непосредственно в клетке. Мы можем судить о генотипе данного штамма
бактерии Е. coli по его способности синтезировать фермент, аминокислоту,
антибиотик или другое вещество или гидролизовать питательный субстрат, на
котором он размножается. Благодаря механизму регуляции генетического кода
бактерии обеспечивают своевременную активность генов, синтезирующих
ферменты, необходимые клетке в данный период ее жизнедеятельности.
Следовательно, у прокариот четко прослеживается связь между геном и
признаком: ген → фермент → признак.
Значительно сложнее этот процесс осуществляется у высших многоклеточных
сложноорганизованных особей. Каждый признак у них контролируется, как
правило, многими генами, формируется в онтогенезе под влиянием многих
ферментов, во взаимодействии с другими органами и тканями. Например,
окраска меха у норок контролируется более чем 20 генами, окраска шерсти у
крупного рогатого скота зависит от различного сочетания 10 генов, цвет глаз у
дрозофилы зависит от 20 генов. Каждый ген в генотипе особи представлен
двумя аллелями, в результате перекомбинации которых может осуществляться
самое разнообразное проявление признака. Важное значение для характера
проявления признака имеет и возможное взаимодействие генов.
Существенное влияние на характер развития органа и проявления признака
могут оказывать условия внешней среды. У животных эмбриональное развитие
протекает в организме матери, поэтому на признаки, формирующиеся до
рождения, внешняя среда оказывает относительно слабое влияние, опосредованно через организм матери. Они развиваются главным образом под
контролем генотипов родительских форм, и после рождения почти не
изменяются. К таким признакам в первую очередь относят морфологические
особенности строения каждого органа, а также группы крови, типы гемоглобина
и др.
В постэмбриональный период условия внешней среды оказывают
существенное влияние на характер проявления главным образом
количественных признаков, определяющих продуктивность животного. Очень
показательны в этом отношении однояйцовые близнецы. Идентичность их
генотипов четко проявляется в распределении окраски шерсти, форме рогов,
строении конечностей, но форма тела, масса, продуктивность значительно
изменяются под влиянием скудного или, наоборот, обильного кормления
Биогенетический закон онтогенеза. Онтогенез имеет генетическую
предопределенность развития животных данного класса и свидетельствует об
общности их происхождения. Общность происхождения генетически разных
форм отражена в чертах их развития и порядке смены этапов и фаз, в
появлении у систематически разных групп ряда черт, характерных для их
предковых форм.
Онтогенез каждой особи подчиняется биогенетическому закону МюллераГеккеля: сходство эмбриональных черт развития отражает степень родства
разных форм в силу общности их происхождения. Процесс дробления зиготы у
всех многоклеточных животных организмов проходит начальные стадии эмбриогенеза — бластулу и гаструлу. Для позвоночных характерно прохождение
стадии, на которой у наземных форм, дышащих легкими, образуются жаберные
дуги, как и у рыб.
В филогенетических рядах характерен параллелизм гистологической структуры
и функций некоторых тканей — нервной, мышечной, эпителиальной,
соединительной. Наличие этой закономерности, установленной русским
ученым А. А. Заварзиным (1886—1945), отражает общность генетической
детерминации клеток в весьма давно и далеко разошедшихся классах, например у млекопитающих и у насекомых.
Вместе с тем необходимо учитывать и различия в онтогенезе у разных форм,
которые накладываются на общий характер развития, что свидетельствует о
специфике генетической информации. Так, например, в яйцах рыб и птиц
содержатся большие запасы желтка, что сказывается на их эмбриогенезе.
Неравномерность и неодновременность процессов роста
и дифференцировки. Рост может осуществляться либо за счет деления клеток,
либо за счет их растяжения. В период роста органов и тканей преобладают
процессы, обеспечивающие митотическую активность клеток. В этот период
наиболее активно функционируют гены, контролирующие синтез ферментов,
обеспечивающих все периоды и фазы митотического цикла.
В эмбриональной ткани животных клетки относительно одинаковы по форме и
составу белков. Позже они дифференцируются, при этом эмбриональная клетка
превращается в клетку с различной специализацией. Такое проявление
различий между клетками называют дифференцировкой, а клетки —
дифференцированными. В период дифференцировки активно функционируют
гены, контролирующие синтез специфических белков, необходимых для
формообразовательных процессов и интеграции специализированных клеток.
Необратимость и обратимость процесса дифференцировки соматических
клеток и тканей. Зигота содержит полный набор генов и всю генетическую
информацию данного вида, породы и особи; она тотипотентна
(омнипотентна), то есть обладает всеми возможностями развития и
формирования органов и признаков взрослой особи. Дифференцировка клеток
не приводит к потере ими имеющихся возможностей. Генетическая информация, содержащаяся в молекулах ДНК, одинакова в любой соматической клетке,
то есть каждая соматическая клетка потенциально способна дать начало новому
организму. Тотипотентность соматических клеток характерна для растений. Из
одиночных клеток, выделенных из дифференцированных тканей любого
органа, можно в пробирочной культуре получить целое растение, идентичное
исходному. Такие растения получают из корнеплодов сахарной свеклы и
моркови, из клетки листа бегонии и многих других культур. У животных
тотипотентность клеток сохраняется только на ранних этапах онтогенеза. Р.
Бриггс и Т. Кинг (1952), Дж. Гёрдон (1964) выделяли ядра из мышечных клеток
или из клеток кишечного эпителия головастиков шпорцевой лягушки и
пересаживали их в безъядерные активированные яйцеклетки. Из некоторых
яйцеклеток с пересаженным ядром соматической клетки развивались
нормальные головастики и взрослые особи (рис. 44).
Процесс дифференцировки клеток обусловлен дифференциальной экспрессией
генов, когда происходит стимуляция активности одних генов и подавление
(репрессия) других. Неодновременная активность различных участков
молекулы ДНК была установлена при изучении структуры политенных
хромосом из слюнных желез дрозофилы на разных стадиях ее развития (рис.
45). Политенные хромосомы характеризуются чередованием дисков и вздутий,
называемых пуффами (от англ. puffs — вздутия). Каждому вздутию
соответствует деспирализованный участок молекулы ДНК, на котором
осуществляется синтез специфических молекул мРНК. Доказательством этого
служит активное «поглощение» на этом участке радиоактивных «меченых»
нуклеотидов. Характер и место образования пуффов меняются в различные
периоды онтогенеза. Каждый диск превращается в пуфф в определенный
период жизни личинки. Состояние вздутия на определенном участке
политенной хромосомы обратимо, и при переходе личинки в следующую
стадию пуфф превращается в диск.
О дифференциальной экспрессии генов в онтогенезе свидетельствует также
изменение состава белковых фракций на разных стадиях развития. Так,
например, у человека на стадии раннего эмбрионального развития образуется
гемоглобин F, состоящий из двух цепей полипептидов — α и γ. Примерно с 13-й
недели развития начинает синтезироваться гемоглобин типа А, характерный
для взрослого человека. Он состоит из цепей полинуклеотидов α и β. У
новорожденного 70—80% составляет гемоглобин типа F, а 20 — 30% —
типа А. Когда ребенок достигает возраста одного года, происходит полная
замена гемоглобина F гемоглобином А. Смена соотношения типов белков в
крови с возрастом наблюдается также и у животных.
В процессе дифференциации клеток и тканей происходят необратимые
изменения в состоянии ДНК, хромосом, ядра и цитоплазмы, в результате чего
клетка теряет тотипотентность и, хотя в ней и содержится вся генетическая
информация, она не способна восстановить целый организм. В процессе
дифферен-цировки и функционирования соматических клеток могут происходить морфологические изменения хромосом, значительная часть которых
находится в состоянии гетерохроматина. Нарушается процесс деления клеток.
Некоторые из них делятся по типу амитоза, другие — эндомитоза. В результате
этого наблюдаются полиплоидизация, анеуплоидизация и другие изменения
числа хромосом, образование политенных хромосом. У животных такого рода
деления имеют место в клетках мальпигиевых трубок, кишечного эпителия, в
клетках печени и других желез внутренней секреции.
Роль генетической информации на начальных стадиях онтогенеза. У животных
в яйцеклетке до оплодотворения накапливается (в цитоплазме) большое
количество рибонуклеиновых кислот всех трех типов: мРНК, рРНК и тРНК, —
которые до оплодотворения находятся в неактивном состоянии. Они соединяются со специфическими белками-гистонами и образуют неактивные
гранулы инфорсомы. Через несколько минут после оплодотворения часть
молекул мРНК информосом освобождается от белка, поступает на рибосомы
цитоплазмы яйцеклетки и начинает синтез определенных белков, необходимых
%ля начального развития зиготы. Начальный период развития зиготы
осуществляется под контролем генов материнского организма; мРНК
яйцеклетки обеспечивает синтез белков до стадии поздней бластулы. С начала
стадии гаструляции и в дальнейших процессах онтогенеза синтез белка
осуществляется под контролем ядерных генов обеих родительских особей. В
эмбриогенезе лягушки синтез мРНК возобновляется после 10 делений дробления, когда зародыш состоит приблизительно из тысячи клеток.
А. А. Нейфах (1976) изучал первые стадии развития зародышей вьюна. Он
обрабатывал оплодотворенные яйца лучами Рентгена. Дозы облучения были
подобраны таким образом, чтобы прекратить деятельность ядра я
нейтрализовать гены в молекулах ДНК. При облучении яиц сразу после
оплодотворения или зародыша на стадии ранней бластулы развитие его шло
нормально до поздней бластулы, а затем прекращалось, и наступала гибель.
Следовательно, развитие эмбриона в этот период определяется иРНК,
находящейся в цитоплазме клеток бластулы. Эта материнская иРНК и рРНК
обеспечивают на ранней стадии дробления зиготы и бластулы синтез белков,
необходимых для функционирования клеток и развития эмбриона. Развитие
эмбриона прекращается на стадии гаструлы, так как для начала органогенеза
нужны белки, синтез которых кодируется ядерными генами, локализованными
в хромосомах материнской и отцовской особей.
При облучении эмбрионов в период гаструляции, перед началом органогенеза
и даже в период поздней бластулы развитие их прекращалось сразу после
облучения.
В некоторых случаях наблюдается наличие в цитоплазме яйцеклетки
специальных фрагментов активной ДНК. Они синтезируют мРНК и кодируют
синтез специфических белков в цитоплазме. У амфибий и рыб в цитоплазме в
период созревания ооцитов и в яйцеклетках были обнаружены в большом
количестве фрагменты молекул ДНК. В период созревания яйцеклеток
происходит интенсивное насыщение цитоплазмы ДНК, мРНК, рРНК, тРНК, а
также другими компонентами. У дрозофилы 15 фолликулярных клеток,
окружающих яйцеклетку, проникают в нее цитоплазматическими выростами и
насыщают цитоплазму митохондриями, ДНК, РНК, белками и другими компонентами.
Таким образом, ядро зиготы, образовавшееся в результате слияния
материнского и отцовского ядер и объединения их генетической информации, в
начальный период развития зародыша не оказывает влияния на дробление
зиготы и образование бластулы. Эмбрион в этот период развивается за счет РНК
и других компонентов, находящихся в цитоплазме яйцеклетки.
Критические периоды развития. Эмбриологи установили, что в онтогенезе,
особенно на ранних стадиях развития, наблюдаются периоды, когда наиболее
ярко выражена реакция эмбриона на воздействие внешних факторов. В эти
периоды эмбрионы легко повреждаются, у них нарушаются процессы развития
органов, что приводит к гибели эмбрионов либо к появлению уродств.
Критические периоды обычно предшествуют началу соответствующего
процесса органогенеза. В это время в соответствии с генетической программой
развития особи усиливается синтез соответствующих белков, прекращается
синтез предшествующих веществ, происходит перестройка обмена веществ в
клетке. Критические периоды, как правило, наступают после поздней бластулы,
когда дальнейшее развитие эмбриона осуществляется под контролем
генетической информации обеих родительских особей.
Наиболее изучены внешние факторы, влияющие в критические периоды на
процесс онтогенеза у рыб, птиц, амфибий, рептилий, несколько меньше — у
млекопитающих.
У рыб нормальный онтогенез зависит от температуры воды и содержания в ней
кислорода, причем у разных видов потребность в этих факторах различна: вьюн
менее чувствителен к этим факторам, чем форель, лосось. У кур на эмбриогенез
большое влияние оказывают температура и влажность воздуха в период
инкубации. Эмбрионы особенно чувствительны к данным факторам на 2 — 3-й
сутки инкубации, когда происходит образование системы кровообращения; на 8
— 9-е сутки — в период интенсивного морфогенеза — и на 19-е сутки, когда
происходит переход зародыша к легочному типу дыхания.
Критические периоды онтогенеза определены у хомяков, морских свинок,
кроликов и других животных. У крупного рогатого скота наблюдается
повышение эмбриональной смертности в первые дни развития зиготы, что
свидетельствует о критическом периоде.
Регуляция синтеза белков у эукариот в процессе онтогенеза. Процесс
регуляции синтеза белков, разработанный Ф. Жакобом и Ж. Моно для
прокариот на примере Е. coli и получивший название механизма индукциирепрессии, возможен и у высших организмов. Вместе с тем для
сложноорганизованных многоклеточных эукариот характерно наличие
дифференцированных органов и тканей, состоящих из узкоспециализированных
клеток. В этих клетках в активном состоянии находится только та часть
генетической информации, которая необходима для синтеза строго
определенных белков. В дифференцированных клетках интенсивно
синтезируются белки определенного состава и функций, характерных для
данного органа и ткани.
Репликация ДНК. Дифференциация клеток определяет и их способность
делиться по типу митоза, амитоза, эндомитоза Характер деления зависит от
способности ДНК синтезировать белки, обеспечивающие репликацию ДНК и
митотический цикл. В высокодифференцированных клетках, таких как нейроны,
мышечные клетки, репликация ДНК не происходит довольно длительное время.
Большие интервалы между делениями имеют место также в клетках печени.
Вместе с тем дифференцированные клетки эпителия кишечника, костного мозга
довольно интенсивно делятся и проходят полный митотический цикл.
Стабильность мРНК. В отличие от прокариот мРНК у эукариот, особенно в
клетках животных, относительно стабильна и может длительное время служить
матрицей белкового синтеза, а также сохраняться в цитоплазме в виде
информосом. Так, например, у человека длительность жизни ретикулоцитов до
превращения их в эритроциты равна шести суткам. Ядра у них отсутствуют, но
синтез специализированная молекул белка в них протекает на мРНК,
образовавшихся в ядрах на предшествующей стадии нормобласта.
Таким образом, у высших организмов возможно образование безъядерных
клеток, которые могут нормально функционировать за счет ранее
синтезированных мРНК. Аналогично осуществляется синтез белка на ранее синтезированной иРНК и в клетках, содержащих неактивные ядра, как, например, в
эритроцитах птиц, спермиях и других дифференцированных клетках. Таким
образом, для аукариот характерно иногда довольно продолжительное
неодновременное протекание процессов транскрипции и трансляции.
Каскадная регуляция активности генов. Она заключается в том, что в клетке
происходит одновременное включение или выключение большой группы
генов, локализованных в разных молекулах ДНК, разных хромосомах. Эта
регуляция осуществляется под воздействием специализированных весьма
разнообразных сигнальных веществ, активно синтезируемых в клетках других
тканей и поступающих в клетки данной ткани.
Гормональная регуляция. У высших животных важное значение имеет
гормональная регуляция активности генов. Гормоны вырабатываются железами
внутренней секреций и активируют синтез соответствующих белков. Они могут
иметь белковую и небелковую природу, но синтез каждого из них осуществляется под генетическим контролем ДНК. Выделяясь из соответствующих
желез в кровь, гормоны разносятся по всему организму, вступают в контакт с
соответствующими клетками и активируют их гены. Гормоны контролируют
многие процессы онтогенеза: рост, органогенез, морфогенез, метаморфоза у
насекомых и амфибий, наступление половой зрелости и другие процессы.
Оптимальное количество гормонов является непременным условием
нормального развития и существования организма, Недостаток одного или
нескольких гормонов приводит к нарушению процесса развития, иногда к
стерильности особи. Избыток гормонов нарушает процесс обмена веществ в
организме, обусловливает эндокринные расстройства.
Ряд гормонов влияет непосредственно на ДНК дифференцированных клеток и
регулирует синтез специфических белков, Гормоны являются либо
индукторами, либо супрессорами синтеза мРНК, или изменяют проницаемость
клеточной мембраны для специфических индукторов синтеза мРНК.
Гормоны могут соединяться с молекулами ферментов и изменять их активность.
Об активации ферментами геной, влияющих на процессы метаморфоза,
свидетельствуют следующие эксперименты. У двукрылых насекомых был
выделен специальный гормон развития. Введение его личинкам
способствовало быстрому их превращению в куколки. При добавлении в
питательную среду гормона щитовидной железы головастики быстро
превращались в лягушек, аксолотль — в амблистому.
Примером регуляторной деятельности гормона может служить инсулин —
наиболее изученный гормон поджелудочной железы. Инсулин — белок,
состоящий из одной полипептидной цепи, содержащей 51 аминокислоту.
Благодаря инсулину в крови поддерживается необходимая концентрация
глюкозы, имеющей огромное значение в жизнедеятельности и развитии
организма. Инсулин регулирует работу генетического аппарата клеток печени, в
которых синтезируются ферменты, необходимые для нормального течения двух
противоположных процессов — синтеза глюкозы из неуглеводистых веществ и
гликолиза глюкозы и синтеза из нее гликогена. Оптимальная концентрация
глюкозы в крови поддерживается соотношением комплекса ферментов двух
этих систем.
Инсулин активирует оперон, содержащий три структурных гена, синтезирующих
ферменты, необходимые для гликолиза и синтеза гликогена. В то же время
инсулин является репрессо-ром четырех генов другого оперона, влияющего на
синтез глюкозы. О. А. Иванова приводит следующую схему регуляции активности генов печени при поступлении с пищей в организм человека большого
количества сахара:
Продуктивность различных пород животных зависит от активности различных
гормонов. У мясных пород свиней гормон соматостатин активирует белковый
синтез, необходимый для более эффективного использования кормов и
увеличения живой массы. Особенно большое влияние на регуляцию работы
генетического аппарата клетки оказывает гормон роста, вырабатываемый
гипофизом. Этот гормон является индуктором синтеза белков во многих клетках
одновременно. Например при удалении гипофиза резко уменьшается синтез
белков, необходимых для нормального роста.
Например, у белых крыс при гипофизэктомии вдвое уменьшается синтез белков
и количество полисом по сравнению с контролем. При введении этим крысам
гормона роста синтез мРНК, рРНК и белков возвращается к норме.
Наряду с хорошо известными гормонами в организме существуют и другие
высокоспециализйрованные индукторы.
Большое влияние на активность соответствующих генов оказывают цитоплазма
дифференцированных клеток, а также белки-гистоны, В процессе
дифференциации клетка приобретает способность реагировать только на
определенные раздражители, в результате чего она синтезирует только те
белки, которые необходимы для ее дальнейшего функционирования,
жизнедеятельности и дифференцировки. Характерно, что свойство генетического аппарата дифференцированной клетки синтезировать специфические
белки клетка сохраняет и в последующих клеточных поколениях. Таким
образом, увеличение размеров ткани за счет деления клеток не изменяет
работу генетического аппарата, и дифференцированные клетки синтезируют те
же специфические для данной ткани белки.
Генотип и фенотип. Ген как дискретная единица наследственности реализуется
в процессе синтеза ферментов или структурных белков. На молекуле ДНК
транскрибируется мРНК, на которой в цитоплазме образуются полипептидные
цепи. В посттрансляционный период полипептиды претерпевают различные
перестройки: соединяются друг с другом, с молекулами небелковой природы,
приобретают вторичную, третичную или четвертичную структуру. Они участвуют
в развитии и формировании органов и признаков, выполняя специфические
функции ферментов, структурных или транспортных белков. В свою очередь,
каждый этап реализации наследственной информации в процессе биосинтеза
контролируется сложной ферментативной и регуляторной системой. Результаты
проводимых исследований свидетельствуют о дискретном характере
наследственности, когда характер проявления одного признака контролируется
одним, двумя или большим числом генов, локализованных в определенных
участках молекулы ДНК и хромосомы.
Вместе с тем генотип нельзя рассматривать как мозаику дискретных единиц —
генов. В процессе онтогенеза он проявляет себя как единая система,
регулирующая все процессы развития органов и признаков.
Фенотип особи определяется всей суммой индивидуальных Признаков,
доступных наблюдению или анализу. Он также имеет дискретную природу, так
как каждому организму свойственны специфические для него признаки. С
другой стороны, фенотип представляет собой единое целое и нарушение
строения одного органа сказывается на жизнеспособности всего организма.
Фенотип особи складывается в онтогенезе под контролем генотипа и под
влиянием условий среды. В эмбриональный период онтогенеза органогенез
осуществляется на основе тесной взаимосвязи процесса заложения и развития
органов Пенетрантность и экспрессивность генов. Проявление действия гена
может иметь различный характер, и фенотипическое проявление его может
варьировать по степени выраженности признака. Один и тот же признак может
проявляться или не проявляться у особей родственных групп. Это явление
называется пенетрантносяью гена, Пенетрантность определяют по проценту
особей в популяции, у которых данный ген проявился, Если он проявится у всех
обследованных животных или растений, то пенетрантность будет составлять
100%, если у части особей, то определяют их процент — 80, 75 % и т. д.
Экспрессивность гена характеризует фенотипическое проявление гена по
реакции сходных генотипов на конкретные условия внешней среды. Действие
одних генов в онтогенезе может быть более или менее константным, стойким в
своем проявлений или варьировать в зависимости от внешних условий. Рецессивные гены, которые в обычных условиях в гетерозиготном состоянии
фенотипически не проявляются, могут проявиться при измененных условиях.
Примером экспрессивности и различного фенотипического проявления гена
может служить окраска меха у кролика, определяемая серией множественных
аллелей гена С.
Гималайская окраска меха определяется аллелем ch и фенотипически
проявляется в, белой окраске меха, но с черной окраской кончиков лап, ушей,
носа и хвоста (рис. 46).
Окраска меха зависит от биохимических реакций, протекающих в клетках кожи,
контролирующих выработку меланина, и от температуры окружающей среды.
Кролик, выращенный при температуре выше 30 °С, оказывается сплошь белым.
Если выщипать небольшой участок белой шерсти и систематически его
охлаждать, то на нем вырастет черная шерсть. Пониженная температура влияет
на активность генов, контролирующих выработку определенных ферментов,
Важное значение для характера проявления генов имеют наличие и активность
генов-модификаторов, определяющих степень экспрессивности генов в
зависимости от условий среды. В постэмбриональный период, когда идет
процесс формирования конкретных признаков, присущих данной особи,
генотип проявляется в фенотипе как система взаимосвязанных генов. В этой
системе развитие одного признака может зависеть от взаимодействия многих
генов и один ген может влиять на развитие и проявление нескольких
признаков.
Плейотропия. Явление одновременного влияния одного наследственного
фактора — гена — на несколько признаков называют плейотропией.
Плейотропное действие гена может быть как положительным, так и
отрицательным. Практически всегда при анализе связей гена и признака можно
обнаружить явление плейотропии. Особенно четко плейотропия проявляется
при изучении фенотипических изменений признаков, вызываемых мутацией
одного гена. У животных и человека мутация одного гена может обусловить
целый комплекс патологических изменений фенотипа, называемых в
медицине синдромами.
В медицине и ветеринарии наиболее изученными являются так называемые
синдромные и биохимические плейотропии. При синдромной плейотропии
один мутантный ген o6yсловливает комплекс повреждений в процессе раннего
эмбрионального развития. Примером синдромной плейотропии может служить
рецессивная мутация гена, кодирующего фермент галактозо-1фосфатуридилтрансферазу, необходимый ребенку для усвоения молочного
сахара. Эта мутация обусловливает заболевание галактоземией и оказывает
плейотропный эффект на комплекс признаков. У больного проявляются такие
пороки развития, как слабоумие, слепота, цирроз печени. Предупредить
развитие заболевания можно, если больного перевести на искусственную
диету, не содержащую молочного сахара. На первый взгляд эти дефекты не
связаны между собой, хотя обусловлены мутацией одного гена.
Примером биохимической плейотропии, послужившей моделью для изучения
сложных взаимодействий структурных генов и характера их проявления в
фенотипе особи, могут служить мутации генов, контролирующих метаболизм
аминокислот фенилаланина и тирозина. Нарушение этого метаболизма обусловливает патологические изменения целой серии признаков у человека и
такие заболевания, как фенилкетонурия, алкаптонурия, кретинизм, альбинизм
(рис. 47).
Фенилкетонурия — тяжелое наследственное заболевание человека. Впервые
оно описано в 1934 г., но только через 19 лет, в 1953 г., было установлено, что
фенилкетонурия является следствием мутации гена, ответственного за синтез
фермента, обеспечивающего гидролиз аминокислоты фенилаланина и синтез
тирозина. Неспособность генотипа вырабатывать этот фермент приводит к тому,
что поступающая с пищей аминокислота фенилаланин накапливается в плазме
крови, а затем — в мозге. Избыток ее определяет плейотропный эффект,
затрагивающий патологическое развитие комплекса признаков, и у больных
детей развивается умственная отсталость, а затем и неполноценность, потеря
речи, отсутствие координации движений.
После того как были установлены причины фенилкетонурии, разработаны
методы диагностики у новорожденных и с помощью специальной диеты
получена возможность предотвратить это заболевание.
Алкаптонурия проявляется в возрасте 40 лет и старше и характеризуется
патологическими изменениями суставов конечностей, позвоночника,
потемнением мочи. Причиной комплекса этих патологий является то, что у
больных в печени не вырабатывается фермент оксидаза, необходимый для
метаболизма гомогентизиновой кислоты. В организме происходит ее накопление, и развивается тяжелое заболевание.
Тирозиноз — заболевание, обусловленное нарушениями в метаболизме
аминокислоты тирозина. Накопление в организме избытка данной аминокислоты и ее метаболитов обусловливает задержку в развитии младенца,
кретинизм, слабоумие, патологию почек и печени.
Причиной альбинизма является не избыток, как в предыдущих случаях, а
недостаток продукта - меланина, поэтому патология бывает выражена в раннем
возрасте, уже у новорожденных. Причиной альбинизма бывает потеря
организмом способности синтезировать меланин из тирозина из-за отсутствия
фермента тирозиназы. Этот фермент в норме катализирует образование
пигмента меланина в клетках кожи, волос, радужной оболочки глаз, Отсутствие
его блокирует образование меланина, и люди рождаются альбиносами.
Коррелятивные связи органов. В формировании фенотипа важное значение
имеют коррелятивные связи органов и признаков. И. И. Шмальгаузен (1884—
1963) выделял следующие типы коррелятивных связей: геномные, морфологические и функциональные. Геномные связи обусловлены действием
генотипа как целостной системы в процессе онтогенеза. Морфологические
корреляции наследственно обусловлены и возникают в результате передачи
веществ или возбуждений от одной части организма к другой. Функциональные
корреляции являются следствием функциональной связи между органами. И. И.
Шмальгаузен считал, что в онтогенезе особую роль играют морфогенетические
корреляции, благодаря которым развитие организма и формирование
фенотипа осуществляются как единый процесс. Выявление коррелятивных
связей и их роли в развитии признаков имеет важное значение в генетике и
селекции животных.
Генетические основы воспроизведения и долголетия животных. Воспроизведение потомства и долголетие обусловлены сложными
генетическими процессами, осуществляемыми на фоне взаимодействия
организмов с разнообразными факторами среды.
Под воспроизведением животных понимают способность организмов давать
полноценный приплод, определяемый качеством родительского поколения.
Воспроизведение и продуктивность являются тесно связанными между собой
биологическими процессами, на уровень которых влияет состояние животных,
их наследственность и условия жизни.
Интенсивность воспроизведения, как и показатели продуктивности, входит в
комплекс селекционных признаков. В основе селекционного эффекта,
означающего повышение интенсивности воспроизведения, лежат условия
жизни и наследственные особенности размножающихся особей и их потомков.
Опираясь на эти факторы, можно методом селекции достигать повышения
воспроизводительности животных.
Практическими показателями нормального процесса воспроизведения
животных в ряде поколений могут служить: биологическое и хозяйственное
долголетие животных, оплодотворяемость самок и спермояродукция самцов,
пренатальная и постэмбриональная жизнеспособность, сопровождающаяся
приспособленностью потомства к условиям внешней среды и элементам
технологии, способность длительное время проявлять высокие продуктивные
качества при интенсивном воспроизведении. Однако даже при создании
необходимых условий жизни могут быть срывы и снижение
воспроизводительной функции, проявляться повышенная пренатальная
смертность, снижение жизнеспособности и продуктивности в последующие
периоды онтогенеза.
Основу функции воспроизведения определяют процессы, обусловленные
наследственностью животного, особенностями его генетического аппарата и
биосинтеза белковых молекул, в частности таких, как антитела,
иммуноглобулины, ферменты, антигены, гормоны и другие активные
биологические соединения, то есть комплекс иммунологических факторов.
Иммунологическая обусловленность уровня воспроизведения. В последние
годы установлено, что в процессах гаметогенеза, оплодотворения и
взаимоотношений между эмбрионом и материнским организмом важную роль
играют взаимосвязи иммунной системы самца, самки и эмбриона. В основе
взаимосвязей — соотношение антигенов половых клеток родителей и антител
материнского организма и зародыша.
Антигенными свойствами обладают клетки, ткани и жидкости тела, в частности
клетки семенников и яичников, секреты добавочных половых желез самцов,
клетки молочной железы и половой системы самок, органоиды половых клеток
(акросома) ядро, прозрачная оболочка и др.). Ответная реакция на антигены
выражается синтезом антител, то есть иммунным ответом.
По инициативе болгарских ученых в 1967 г. была проведена. Первая
международная конференция по иммунологии воспроизведения, в которой
участвовало 40 стран мира, В 1980 г. в Париже проведен первый
международный конгресс по иммунологии воспроизведения. В СССР
организован Советский комитет по иммунологии воспроизведения и
иммуногенетике и в 1977 г. проведен первый симпозиум, Исследования по
иммунологии воспроизведения в нашей стране ведут академик В. К. Милованов
и профессор И. И. Соколовская.
Иммунные процессы, влияющие на воспроизведение, проявляются на
различных уровнях и этапах этой функций. В комплекс процессов входят
следующие компоненты: а) формирование иммунных особенностей гамет,
образующихся в процессе спермато- и оогенеза; б) взаимодействие иммунных
систем половых продуктов самца и самки после осеменения и при продвижении спермы в половых путях; в) иммунные процессы, происходящие в
период собственно оплодотворения и образования зиготы; г) иммунные
взаимоотношения организма матери и плода в пренатальный период. Каждый
из этих компонентов иммунного комплекса имеет свою специфику, иммунную
особенность и силу влияния на качество приплода.
Для выявления иммунных взаимосвязей антиген — антитело используют
методы реакции преципитации, агглютинации, иммунофореза и др. Важное
значение в системе биотехнологии приобретают пересадки зигот от самокдоноров к самкам реципиентам, а также при использовании искусственного
осеменения в условиях in vitro и in vivo.
Иммунные процессы при гаметогенезе. В процессе сперматогенеза у спермиев
формируется иммунная система, включающая до 18 антигенов, что обусловлено
их сложной химической структурой. Дополнительным источником антигенности
спермия служат жидкости добавочных половых желез.
Антигены головки и хвоста спермия различны. Выявлено общее сходство
некоторых антигенов между спермиями быка, барана и хряка. Иногда
выявляется сходство некоторых антигенов семенной жидкости с антигенами
крови самца.
Антигенная структура спермия формируется постепенно в процессе
сперматогенеза. Так, генетическая обусловленность его антигенности зависит от
хромосомного аппарата гаплоидных сперматид. Кроме этого, антигенность
гамет создается еще и за счет образования липопротеидной оболочки спермия
из секретов придатков семенников.
В акросоме спермия иммуноантигенность проявляют такие ферменты, как
гиалуронидаза, дегидрогеназа и другие, оказывающие влияние на
оплодотворяющую способность спермия. Так, гиалуронидаза способствует
освобождению яйцеклетки от клеток яйценосного бугорка и лучистого венца,
что помогает спермию достигнуть прозрачной оболочки ооцита,
Лактатдегидрогеназа влияет на дыхательный процесс спермия и его подвижность.
На поверхности спермиев выявлены антигены, обусловленные функцией генов,
вызывающих гистонесовместимосты Их действие может приводить к
отторжению пересаженных участков ткани или органов. В современной
зоотехнии применяемая пересадка зигот или эмбрионов в качестве приема
генетической инженерии также может сопровождаться реакцией
гистонесовместимости между пересаженной зиготой или эмбрионом от самкидонора к самке-реципиенту. В результате происходит гибель пересаженных
элементов. Следовательно, иммунное состояние самки-реципиента влияет на
успех пересадки.
У мышей выявлен антиген гистосовместимости, который определяется геном,
расположенным на Y-хромосоме Опыты В. К. Милованова и И. И. Соколовской
показали, что в результате обработки крольчих спермой кролика, подвергнутого
воздействию антисывороткой, иммунной к клеткам кожи самца, наблюдается
существенный сдвиг в соотношении полов у приплода. Это позволило авторам
высказать гипотезу о возможности использования антигенных свойств спермы
для регулирования соотношения полов в потомстве
Для нормального воспроизведения важно, чтобы в организме самца не было
процесса образования антител в отношении собственных спермиев, то есть,
чтобы отсутствовала аутоиммунность с образованием аутоантител, наличие
которых приводит к агглютинации (склеиванию) головок собственных спермиев
и тем самым к утрате их оплодотворяющей способности. Образование
аутоантител у самца может вызываться различными внешними факторами,
например перегревом или переохлаждением семенников, их ушибами и
другими травмами органа. Учитывая отрицательное влияние аутоиммунных
антител, необходимо тщательно оберегать самцов от травм.
Аутоантитела также могут синтезироваться клетками, в которых произошла
мутация гена, вызывающая искажение реакции на антигены собственного
организма. Аутоиммунизация сопровождается повреждением акросомы
головки спермия, она набухает и даже утрачивается. Патологические спермин
часто присутствуют в придатках семенников и эякуляте.
При аутоиммунизации количество патологических гамет в придатках самцов
достигало 49% и в эякуляте 46, а у нормальных самцов около 30% (Боярский,
1978).
Появление аутоиммунности у здоровых самцов под влиянием внешних
факторов, вызывая патологию в состоянии акросомы спермия, приводит к
снижению оплодотворяемости самок. Для диагностики аутоиммунности в
практике животноводства можно использовать степень реакции оседания
спермиев (РОС), появляющейся в антисыворотке данного самца.
В опытах И. И. Соколовской и др. (1960) из 59 обследованных быковпроизводителей реакция оседания была выявлена у шести быков Высокий
процент стельности у коров отмечен при использовании быков с отрицательной
реакцией оседания спермиев На практике важно осуществлять проверку
производителей для систематической оценки спермопродукции.
И. И. Соколовской предложен метод определения биологической
(оплодотворяющей) способности спермы по состоянию акросомы спермия. Для
этого просматривают капли спермы под микроскопом с темнопольным
конденсором. У неполноценных спермиев акросома не светится или даже
отсутствует, а у нормальных передний край акросомы ярко освещен.
Инструкция по оценке состояния акросом уже внедряется в практику скотоводства и позволяет оценивать быков-производителей по состоянию их
спермопродукции в динамике в период их использования.
Присутствие многообразных антигенов у спермиев и в семенной жидкости
придатков может служить фактором, снижающим эффект воспроизведения в
результате выработки половой системой самки антител к веществам
антигенного типа в продуктах воспроизводительной системы самца, а также и
уже развивающемуся зародышу. В половом тракте самца существуют защитные
механизмы, предупреждающие проявление антигенного влияния половых
продуктов самца и его аутоиммунность. Например, защитными свойствами
обладают липопротеидный покров спермиев и слабокислая реакция
эпидидимиса. Кроме этого, капилляры извитых канальцев семенника непроницаемы для антител, что предотвращает возможность иммунной реакции
антиген — антитело на уровне сперматогенеза. Этот процесс защиты в
семеннике называется гематотестику-лярным барьером.
Антигенные свойства яичника и половой системы самки. Закладка
фолликулярного слоя с оогониями у самок происходит в эмбриональном
периоде, поэтому антигенные свойства половых клеток самок проявляются уже
в пренатальном периоде. Антигены были выявлены в яичнике, яйцеводах,
матке, желтых телах и фолликулярной жидкости. В яичнике обнаружено около
10 антигенов, которые отсутствуют в других тканях тела. Такое число антигенов
яичника могло бы вызвать реакцию аутоиммунных процессов, но охрана антигенной системы зрелого ооцита от антител, которые может синтезировать
организм самки, достигается за счет наличия сосудистой оболочки фолликула и
большим числом слоев фолликулярных клеток, не пропускающих прорастания
капилляров, несущих клетки, синтезирующие антитела. Аналогичную защитную
роль от аутоантител выполняют фолликулярная жидкость и прозрачная зона
ооцита, Прозрачная зона ооцита содержит вещества, которые служат имунной
защитой в период прохождения ооцита, зиготы или бластоцисты по половой
системе самки. Она является важным элементом, обеспечивающим сохранение
яйца, зиготы, бластоциста от возможного иммунного воздействия антител,
выделяемых иммунной системой оплодотворенной самки, и тем самым
повышает эффект воспроизведения.
После введения семенной жидкости самца в половые пути самки наступает
неспецифическая иммунная реакция ее организма в виде фагоцитоза. При этом
сегментоядерные нейтрофильные лейкоциты устраняют мертвых и слабых
спермиев.
Реакция организма самки на введенную семенную жидкость самца
сопровождается появлением в крови естественных антител типа агглютининов,
лизинов. Если самка несколько раз была осеменена и беременность не
наступила, то концентрация агглютининов в ее крови увеличивается и может
превышать критический уровень антител (1:15, 1:32). Повышение титра
агглютининов многократным осеменением может достигать соотношения
1:639. Такое соотношение антител и антигенов спермиев приводит к снижению
оплодотворяемости самок.
Повышение титра агглютинации может быть вызвано недостатком витаминов A,
D, E и микроэлементов (кобальта). Оно наблюдается в первый месяц после
отела, поэтому осеменение в первую охоту, то есть менее чем через 30 дней,
часто сопровождается прохолостом коровы. Естественные антитела к спермиям
выявлены у самок не только в крови, но и в слизи половых путей. Эти антитела в
основном относят к группе иммуйоглобулинов, в частности к IgG.
Перечисленные факторы следует учитывать в практике.
Иммунные процессы, происходящие при оплодотворении. Слияние спермиев с
яйцеклеткой (ооцитом) называется собственно оплодотворением, в процессе
которого возникают специфические иммунные взаимодействия между
половыми элементами самца и самки.
Иммунные особенности гамет самца и самки различны, так как они генетически
несходны, что приводит к формированию ими разных антигенных качеств.
Кроме того, иммунные различия обусловлены еще тем, что яйцеклетки несут на
себе фолликулярную жидкость и секреты желез полового тракта самки, которые
также привносят воздействие на яйцеклетку дополнительными
специфическими иммунными веществами.
В жидкостях половой системы и в крови самки в результате ее осеменения
возникают иммунные процессы и синтезируются антитела
типа IgG и IgA, которые оказывают влияние, как на процесс оплодотворения, так
и на развитие зиготы.
Первый этап оплодотворения, длящийся около 2—3 мин, связан с действием
фермента гиалуронидазы акросомы спермия. Этот фермент освобождает ооцит
от фолликулярных клеток и клеток яйценосного бугорка. Тем самым создаются
условия для успешного продвижения спермиев. Ферментативный процесс, в
котором участвуют гиалуронидаза и акрозин акросомы спермия,
сопровождается преобразованием хромосом спермия из компактного
состояния в упорядоченное распределение и превращением их в пронуклеус
самца в цитоплазме ооцита. Это второй этап оплодотворения, который длится
около 30 мин. Фермент акрозин активирует подвижность спермия и способствует выделению хроматина из головки спермия, проникшего в цитоплазму
ооцита. На втором этапе оплодотворения спермий погружается в протоплазму
яйца акросомой, всей головкой и жгутиком.
Третий этап оплодотворения характеризуется уже полным проникновением
спермия, и наблюдается кортикальная реакция прозрачной зоны ооцита. Она
становится препятствием для проникновения других спермиев. Головка
спермия обеспечивает включение в ооцит гаплоидного набора хромосом
мужской гаметы. В это же время ооцит выделяет второе полярное тельце и
сохраняет гаплоидный набор женской гаметы.
Четвертый этап оплодотворения характеризуется преэращением ядра спермця
и ооцита в пронуклеусы. Пронуклеус спермия увеличивается и достигает
размера женского пронуклеуса. Оба процуклеуса сближаются, их мембраны
сливаются, образуется соединяющий протоплазматический мостик, происходит
полное их слияние, и формируется общая ядерная оболочка. В ядре появляются
ядрышки, которые свидетельствуют о начале синтеза РНК. Хромосомы ядра
уплотняются и скапливаются в одном участке. Это свидетельствует о начале
нового организма — зиготы. После слияния пронуклеусов происходит
репликация ДНК в зиготе и транскрипция ее структуры на РНК, синтез которой
повышается к моменту первого деления зиготы. От момента проникновения
спермия в ооцит до первого деления зиготы проходит около 12 ч.
На результативность оплодотворений большое влияние оказывают свойства
прозрачной оболочки ооцита, которая имеет сложную биохимическую и
функциональную структуру. Она содержит мукопротеины и полисахариды,
в частности гиалуроновую кислоту, липопротеины, обладает большой
устойчивостью и сохраняется вокруг ооцита даже при его пересадках в организм самок других видов.
Антигены прозрачной оболочки ооцита специфичны и отличаются от антигенов
ооплазмы самого ооцита и фолликулярных клеток. Слияние спермия с ооцитом
обусловлено специфичностью прозрачной зоны, проявляющейся в наличии
специфических рецепторов на поверхности спермия и прозрачной зоны.
Рецепторы поверхности ооцита соответствуют разным антигенам. На первом
этапе оплодотворения акросома спермия не только освобождает фермент
гиалуронидазу, позволяющую спермию проникнуть к прозрачной зоне ооцита,
но и освобождает специфические рецепторы спермиев, соответствующие рецепторам прозрачной зоны.
Свойства прозрачной зоны создают условия для избирательности
оплодотворения между гаметами, при котором должна иметь место
химическая совместимость веществ прозрачной зоны ооцита с лизином
акросомы спермия.
Явление избирательности оплодотворения было подтверждено многими
работами на животных разных видов. Установлено, например, что сходство
антигенного набора у самцов и самок сопровождается снижением
оплодотворяемости, плодовитости свиноматок и понижением
жизнеспособности поросят; у крупного рогатого скота при низком сходстве
групп крови между быками и коровами (индекс 0,2) оплодотворяемость была
выше, чем при большом индексе сходства (0,8—1,0).
Иммунологические взаимоотношения матери и плода в пренатальном периоде.
Взаимоотношение беременной самки с плодом строится на иммунной основе
уже с момента образования зиготы. Это предопределяется антигенными
свойствами зиготы, обусловленными полученным генетическим материалом от
гамет отца и матери, с одной стороны, и иммунной системой матери, ее
отдельных тканей, клеток и жидкостей — с другой.
Для успешного протекания процесса воспроизведения важно, чтобы между
матерью и плодом была своего рода иммунная «терпимость» (толерантность).
Если «терпимости» нет, то это может вызвать реакцию иммуногенетической
несовместимости и приведет к гибели плода. На разных этапах пренатального
периода острота и противоречивость иммунных свойств матери и плода
различны. Наиболее опасны они для эмбриона в начале пренатального
периода.
В первые дни жизни зигота иммунно защищена в яйцеводе прозрачной зоной
ооцита. В этот период гиалуроновая и сиаловая кислоты прозрачной зоны
благодаря своим электроотрицательным свойствам отталкивают отрицательно
заряженные лимфоциты, ослабляя возможный их фагоцитоз против зиготы
(бластоцисты), и снижают проницаемость прозрачной зоны для молекул
антигенов и антител матери, охраняя специфические рецепторы зиготы.
Питание зиготы (морулы) не связано с организмом матери, а обеспечивается
накопленными веществами из фолликула в процессе формирования ооцита. В
этот период легче, чем в более поздний, осуществлять успешную пересадку
зигот или бластоцист в организм другой самки-реципиента или для
искусственного культивирования в условиях in vitro и даже хранить в
замороженном виде, что и принято в современной генетической инженерии и
биотехнологии.
До утраты прозрачной оболочки зигота начинает делиться и приобретает форму
многоклеточной морулы, питание которой происходит за счет питательных
веществ, полученных из фолликула яичника. Далее морула преобразуется в
круглую бластоцисту, клетки которой распределяются под прозрачной оболочкой по периферии. С этого момента питание бластоцисты происходит
осмотически за счет веществ матки (маточное молочко) .
Преобразование бластоцисты в эмбрион и утрата прозрачной оболочки в
доплацентарный период могут сопровождаться эмбриональной гибелью, так
как в этот момент на поверхности бластоцисты присутствуют антигены спермия,
против которых организм самки проявляет иммунную реакцию путем синтеза
антител. Утрата прозрачной оболочки и доплацентарное состояние
бластоцисты, а затем эмбриона являются критическими периодами, в которые
иммунные реакции матери на антигены отца, имеющиеся у бластоцисты,
вызывают синтез материнских антител и гибель эмбриона.
Оголенная от прозрачной оболочки бластоциста имеет на поверхности своих
клеток антигены, полученные с гаметой отца, которые могут провоцировать
выделение соответствующих аутоиммунных тел матери. Если соотношение
антигенов — антител не будет сопровождаться толерантностью иммунных
систем эмбриона и матери, то происходит ранняя пренатальная гибель
эмбриона. При взаимной толерантности эмбрион плацентируется в матке и
начинает питаться за счет сывороточных глобулинов матери. У эмбриона
крупного рогатого скота на 20—21-е сутки уже образуются 30—38 пар сомитов,
мозговые пузырьки и зачатки сердца и печени. На 27—34-е сутки заканчивается
закладка всех органов. К 45-му дню плацентация заканчивается и питание
эмбриона обеспечивают вещества, поступающие из крови матери через сосуды
амниона и аллантоиса. Предотвращению иммунного влияния матери на
эмбрион способствует повышение синтеза адренокортикотропных гормонов,
ослабляющих действие антигенов. Иммунная защита осуществляется
аллантохорионом, в котором нет антигенных веществ эмбриона.
Иммунные различии беременной самки и эмбриона могут вызвать его
отторжение в матке и гибель. О ранней гибели можно, до некоторой степени,
судить по удлинению периода между смежными половыми циклами самки, так
как в яичнике сохраняется желтое тело после гибели эмбриона и распада его
тканей. Вместе с тем иммунные реакции между матерью и плодом проявляют
не только антагонистические отношения в реакции антиген — антитело. Этим
реакциям принадлежит важная роль в формообразовательных процессах
эмбриогенеза при закладке органов и тканей. Иммунные реакции организма
матери стимулируют интенсивность органогенеза эмбриона. Если это влияние
ослабляется, то происходит затухание эмбриогенеза и гибель эмбриона.
Механизм формирования толерантности между матерью и эмбрионом
обусловлен взаимодействием клеток белой крови. При нормальной
беременности повышается число лимфоцитов, преимущественно за счет Тсупрессоров, которые способствуют подавлению отторжения бластоцист,
вызываемого иммунной реакцией антигенов эмбриона с антителами матери.
Защита эмбриона от антигенов матери обусловлена плацентой. У приматов и
грызунов гемохориальная плацента имеет иммуногенность за счет
межклеточного слоя ворсинок хориона. Поражение этого слоя ворсинок и
ослабление антигенности амниотической и аллантоисной жидкости повышают
незащищенность эмбриона и приводят к его пренатальной гибели, У крупного
рогат®го скота, свиней и овец, имеющих другие типы плаценты формируется
мощный анатомический барьер из тканей и жидкости плаценты, сильно
развитая кровеносная система ослабляет переход антител матери к эмбриону.
Плацента, ткани и околоплодные жидкости обеспечивают толерантность между
матерью и плодом при определенных внешних условиях и нормальном
состоянии беременной самки.
Беременность и нормальные роды вызывают существенные изменения в
гормональной, иммунной и анатомической структуре матки, нарушается
нормальная структура эндометрия. Для того чтобы половая система самки
после родов подготовилась и пришла в норму, требуется значительное время
(от 30 до 90 дней), что зависит от кормления, условий содержания, возраста
самки. Нормализация гистоструктуры матки после родов у большинства коров
может задерживаться, хотя первая овуляция после родов наступает раньше,
чем перестроился эндометрий, поэтому преждевременное осеменение, то есть
в первую овуляцию, хотя и может сопровождаться оплодотворением, но часто
приводит к эмбриональной смертности
Иммунологические основы постэмбрионального развития особи.
Эффективность воспроизведения в значительной мере зависит от
формирования иммунной системы новорожденного. Это, прежде всего,
определяется состоянием матери, так как при рождении у новорожденного не
функционирует собственная иммунная система. Иммунные вещества поступают
в его организм от матери в эмбриональный период и при питании молозивом в
первые часы после рождения.
Молозиво содержит большое количество иммуноглобулинов, поэтому при
выпойке молозива в первый час после рождения в крови новорожденного уже
через 1—3 ч появляются гамма-глобулины, выполняющие защитную роль. У
молодняка сельскохозяйственных животных только на второй неделе жизни
начинает постепенно осуществляться синтез собственных антител. Факторами,
стимулирующими иммунную систему, служит активное движение
новорожденного, облизывание его матерью, нормальный температурный
режим. В дальнейшем иммунная система молодняка стимулируется наличием в
рационе витаминов А и В, белков, микроэлементов (железа, меди, кобальта),
которые стимулируют синтез иммунных веществ и создание фагоцитарной и
гуморальной систем защиты организма. Влияние кариотипических аномалий
на воспроизведение. Повышение воспроизводительной функции в
значительной степени обусловлено состоянием хромосомного аппарата в
гаметах самок и самцов. Непосредственная оценка кариотипа яйцеклеток и
спермиев затруднена, поэтому проводят изучение кариотипа соматических
клеток, в частности белых клеток крови, взятых из костного мозга или
периферической крови.
Источники мутагенных факторов. На современное животноводство влияет ряд
факторов, обладающих мутагенным действием и вызывающих кариотипические
перестройки на уровне хромосомного аппарата и в виде точковых генных
мутаций.
Источниками хромосомных и генных мутаций могут быть повышенная
радиация, распространение в воздухе, почве и воде различных веществ в виде
химических отбросов промышленности или химических веществ,
употребляемых в борьбе с вредителями. Реакция животных на воздействие
мутагенных веществ различна: генетический аппарат некоторых особей
отличается стабильностью, а часть животных обладает повышенной
мутабильностью.
Конституциональные аномалии кариотипа. Усиливающееся влияние среды
вызывает спонтанный тип мутагенеза, который проявляется или в виде генных
(точковых) мутаций, изменяя структуру ДНК, или в виде геномных мутаций,
изменяющих число хромосом в сторону их увеличения или уменьшения по
сравнению с видовой нормой. Нарушение в кариотипе может проявляться и в
виде хромосомных мутаций, сопровождающихся структурными изменениями
хромосом.
Если перечисленные мутационные изменения в кариотипе, затрагивающие
изменение числа или структуру хромосом, проявляются во всех клетках
организма, то такие аномалии называют конституциональными. Они
формируются в результате участия в оплодотворении гамет родителей,
имеющих аномалии кариотипа, приводящего к развитию дефектных зигот. В
результате спонтанного мутагенеза формируется конституциональный тип
кариотипических аномалий, вызывающий многообразные патологические
процессы, особенно проявляющиеся в нарушении процесса воспроизведения.
Это приводит к увеличению числа мертворожденных, абортам, снижению
оплодотворяющей способности самцов, прохолостам и яловости маточного
стада.
В процессе исследований на сельскохозяйственных животных Э. Визнером
(1979), В. С. Качурой (1982), Г. Густавсоном (1980) и др. установлено, что 50%
беременностей прерываются из-за аномалий зигот, несущих геномные и
хромосомные мутации. По данным Б. П. Завертяева (1984), у коров чернопестрой породы на 11 330 отелов зарегистрировано 2,6% мертворождений.
Спонтанные аборты происходят у коров в 7—10 раз чаще, чем мертворождения.
По данным Н. Г. Дмитриева и А. И. Жигачева (1984), в скотоводстве
зарегистрировано около 50 пороков развития, связанных с хромосомными
аномалиями. Данные зарубежных исследователей свидетельствуют о том, что
генетические дефекты зигот составляют 55% и вызывают нарушение воспроизводительной функции еще в доимплантационный период. У сельскохозяйственных животных это приводит к гибели зигот, что сопровождается
хронической или абсолютной яловостью маточного поголовья.
В свиноводстве использование хряков, несущих в кариотипе транслокации
хромосом, в два раза снизило количество рожденных от них поросят. Имеются
данные (Опреску, 1983), что от хряка, имевшего 27,3% клеток крови с
проявлением структурных аберраций хромосом (разрывы, фрагменты, кольца,
транслокации), получали только мертвых или нежизнеспособных поросят.
Густавсон отмечал, что быки-производители, у которых была обнаружена
робертсоновская транслокация 1/29, имели дочерей с пониженной воспроизводительной функцией и продуктивностью. По обобщенным данным
ВНИИРГЖ, экономический ущерб в СССР от использования быка-производителя
с транслокацией 1/29 составляет 10 тыс. руб. в год. В некоторых породах этот тип
аномалии широко распространен. Так, в роианьольской породе из
обследованных 49 быков транслокация обнаружена у 8 животных. По данным В.
С. Качуры (1985), на Украине у крупного рогатого скота аберрантный кариотип
(транслокация 1/29) выявлен у 45 быков из 465 (т. е. у 9,6%) и у 1,25% от числа
коров. Транслокация 15/28 обнаружена у серого украинского скота (Андреева,
Стрельченко, 1983).
Шваретс и Фогт (1983) выявили яловость у 71 телки, из них 13 были
конституциональными мутантами, в том числе у пяти в кариотипе была
транслокация 1/29, а у двух — Х-трисомия. Отмеченная патология кариотипа
приводила к бесплодию.
Неконституциональные аномалии кариотипа. Спонтанный мутагенез может
вызывать другой тип аномалий, который называют неконституциональным. В
этом случае мутационные аномалии обнаруживают в клетках зиготы или в
гаметах при мейозе, причем родители таких особей имеют нормальный
кариотип. Следовательно, неконституциональные аномалии—это
патологические процессы, возникающие в кариотипе de novo под влиянием
мутагенных факторов. Данные аномалии кариотипа составляют более 95% от
числа выявленных хромосомных аномалий и являются следствием
мутационного воздействия на гаметогенез самцов и самок, или на зиготу, образованную из нормальных гамет родителей.
Некоторое количество клеток с аномалиями выявляют у каждого животного.
Распространенность неконституциональных аномалий кариотипа делает этот
путь нарушения в строении хромосом не менее опасным для популяции, чем
конституциональные аномалии, встречаемость которых обычно значительно
реже. При этом выясняется, что ущерб, наносимый особи
неконституциональными аномалиями кариотипа, в большей степени зависит от
материнского организма, чем от отцовского. Причина этого заключается в
разной длительности влияния мутагенных факторов на гаметы самок и самцов.
Действительно, ооцит формируется в яичнике самки уже в ее эмбриональный
период, а участвует в размножении только в период половозрелости самки,
поэтому он продолжительное время находится под влиянием факторов среды,
в том числе и мутагенных, и вероятность приобретения аномальных перестроек
кариотипа также велика. Естественного отбора аномальных ооцитов не
происходит; они сохраняются в фолликулах яичника, и из них формируются
неполноценные зиготы. В ооцитах выявляют до 65% хромосомных аномалий, в
том числе 25% из них представляют гипоплоиды, которые повышают риск
образования транслокаций. Известно и то, что ооциты более чувствительны к
мутагенным факторам, чем спермин. Влияние материнского организма на
формирование аномальных зигот и эмбрионов усугубляется тем, что в период
эмбрионального развития зигота и плод подвержены действию стрессов,
приводящих к возникновению уродств у потомка. Самок дольше используют в
воспроизводстве, и время воздействия на них мутагенных факторов
значительно больше, чем на самцов.
У самцов неконституциональные аномалии, появляющиеся в гаметах
вследствие мутагенеза, часто сопровождаются гибелью патологических
спермиев, то есть происходит презиготический отбор.
Интенсивное использование производителей, имеющих аномалии в кариотипе,
в условиях крупномасштабной селекции и широко применяемого
искусственного осеменения повышает риск «засорения» популяции
наследственными дефектами генома, снижения воспроизводительной функции
и продуктивности потомства.
Выявление и оценка кариотипических аномалий в популяциях. Исследование
кариотипов клеток — сложный процесс. Наиболее удобным объектом исследований являются Лейкоциты костного мозга или периферической системы. Ткани
костного мозга культивируют в среде 199 с добавлением гепарина и колхицина.
Под микроскопом рассматривают клетки в стадии метафазы и определяют
состояние и число хромосом.
Материалы, полученные при изучении кариотипов сельскохозяйственных
животных, показали негативное влияние спонтанного мутагенеза на кариотипы
животных; наблюдалось ухудшение воспроизводительной функции самцов и
самок и увеличение эмбриональной и постэмбриональной смертности. Для того
чтобы снизить это влияние, необходима организация системы повседневного
контроля наличия мутагенных веществ в окружающей среде. Одновременно
необходимо осуществлять цитогенетический контроль кариотипов у племенных
производителей, маточного состава и племенного молодняка. Сбор данных
цитогенетического тестирования племенных животных образует систему
мониторинга, то есть постоянный массовый поток информации по
кариотипированию поголовья. Полученные данные должны подвергаться
анализу на ЭВМ с моделированием процессов племенной работы по
устранению кариотипических аномалий в популяциях племенного поголовья.
В анализе собранных данных следует применять математические методы,
позволяющие определить меру риска распространения аномалий кариотипа и
пути его преодоления.
Генетические основы долголетия и биотехнологические методы интенсивного
воспроизведения животных. Воспроизведение как жизнеобеспечивающий
процесс индивидуума и популяции не сводится только к получению и
сохранению приплода. Все более важное значение приобретает биологическое
и хозяйственное долголетие сельскохозяйственных животных. Долголетие
животных имеет видовую обусловленность.
Биологическое долголетие — это длительность жизни, прерываемой
естественной смертью. Максимум биологического
долголетия у лошадей 60—67 лет, у коров 36 лет, у овец до 20 лет, у свиней до
16 лет. Для оценки сельскохозяйственных животных применяют термин
«хозяйственное долголетие», когда длительность использования животного
определяется его способностью сохранять экономически выгодный уровень
продуктивности и нормальную функцию размножения. Исследования показали,
что долголетие обусловлено наследственностью, а не только условиями жизни.
Увеличение периода хозяйственного долголетия имеет важное экономическое
значение. Например, по данным А. И. Кирилловой (1983), долголетие у коров
айрширской породы в хозяйстве конного завода № 1 Московской области
сопровождается сохранением высокой молочности и воспроизводительной
функции. В среднем по стаду от каждой коровы получено по 7,5 теленка при
наличии 7,5% двойневых отелов, что повышало коэффициент размножения.
Коэффициент плодовитости, по П. Вилкоксу (1957), вычисляемый по
формуле П=365 (п—1)
, где П — индекс плодовитости (%),
D — число дней между первым и последним отелом, п — число отелов,
составил в среднем по стаду айрширского скота 100%, а у 20 коров он был очень
высок и равен 119,3%. Некоторые коровы прожили по 17 лет и дали по 15 телят.
В среднем пожизненный удой коров-долгожительниц составил 60 тыс. кг и
более, а при выбытии удой был еще высок — 4400— 4700 кг.
Анализ показал, что долголетие имеет наследственную обусловленность. Так,
дочери быка Первенца 511 имели в среднем 8,7 лактации, а дочери Клада 599,
Овода 2557 и Роя 3001 характеризовались пониженным долголетием, в
среднем их использовали 5 лет. В семи семействах коров этого хозяйства
прослежено наследственное долголетие в 3—4 поколениях.
Следовательно, долголетие животных наследственно обусловлено и может
сочетаться с высокой молочной продуктивностью и интенсивной
воспроизводительной функцией, поэтому в селекционной работе можно
соответствующим подбором повысить долголетие и тем самым улучшить
экономический эффект отрасли.
Биотехнология интенсификации воспроизведения животных.
Под биотехнологией понимают новые биологические методы влияния на
различные процессы жизнедеятельности животных и технологического их
использования в целях усовершенствования и повышения производственных
показателей животноводства. В последние годы комплекс приемов воздействия
на животных в значительной мере основывается на реализации наследственных
свойств, обеспечивающих экономический эффект разведения и эксплуатации
животных на базе различных технологических систем. Раздел биотехнологии,
который основывается на свойствах наследственности организма, по сути дела,
представляет собой современные пути воздействия на популяции в виде ряда
приемов генетической инженерии.
Применительно к высшим организмам, и особенно к сельскохозяйственным
животным, последние 10—15 лет развивается прием пересадки от матерейдоноров к самкам-реципиентам оплодотворенных яйцеклеток в виде зигот и
бластоцист. Этот прием имеет технологическое значение, так как позволяет
повысить интенсивность размножения наиболее ценных самок путем
стимуляции у них одновременной множественной овуляции (суперовуляции),
оплодотворения ооцитов в условиях in vivo или in vitro и пересадку полученных
зигот (или эмбрионов на стадии бластулы) самкам-реципиентам. Прием
трансплантации разработан и наиболее перспективен при разведении
одноплодных или редко двухплодных животных, таких как крупный рогатый
скот, овцы, лошади.
Новый биотехнологический метод воспроизводства во много раз повышает
коэффициент размножения у самок. Применяя гормональную стимуляцию
овуляции у самок-доноров, можно получить в один половой цикл несколько
яйцеклеток. Осеменение стимулированной самки дает одновременное
развитие нескольких эмбрионов. Вымывая их из половых путей самки-донора и
перенося и пересаживая самкам-реципиентам, выполняющим роль
«инкубатора», получают возможность более интенсивного размножения самкидонора. Сочетание долголетнего использования самок со стимуляцией
множественной овуляции и трансплантацией зигот (бластоцист)
предназначенным для этой цели самкам-реципиентам расширяет
воспроизводство маточного стада.
Разработаны методы длительного сохранения зигот в замороженном
состоянии, что является новым современным биотехнологическим методом
ускоренного воспроизводства ценных животных.
Еще более перспективным биотехнологическим приемом является метод
интенсивного использования производителя, когда полученная сперма
подвергается замораживанию, длительно хранится в специальных камерах и
размораживается по мере надобности для осеменения. Метод искусственного
осеменения и длительного хранения спермы разработан академиком В. К.
Миловановым. Разработка и совершенствование этого метода позволяют
применять его для многих видов животных.
Интенсификация воспроизведения на современном этапе, опирающаяся на
новые методы биотехнологии, оказывает большое влияние на генетическую
структуру популяций. Использование фонда яйцеклеток и спермиев,
полученных от наиболее ценных животных, приводит к быстрому насыщению
улучшаемой популяции животных желательными для селекции генотипами.
Вместе с тем необходимо учитывать проблемы, вытекающие при
использовании современных методов ускоренного и
интенсивного воспроизводства некоторой части животных данной популяции. К
числу этих проблем относят:
необходимость предупреждения иммунологической несовместимости половых
клеток самцов и самок и взаимоотношение матери и плода, которая может
понижать оплодотворяемость, снижать жизнеспособность эмбрионов и
приплода;
сужение генетической изменчивости в популяции при длительном
использовании самцов и самок, наследственность которых накапливается в
популяции при интенсивной технологии воспроизведения, и возможное
повышение депрессии у потомства при бесконтрольном и вынужденном
инбридинге, а также от повышения биологического сходства в массиве
интенсивного использования одних и тех же самцов и самок;
влияние организма самки-реципиента на фенотип и генотип пересаженного
зародыша или эмбриона.
Применение интенсивных методов биотехнологии воспроизводства требует
постоянного генетического, иммунобиологического и селекционного контроля,
предупреждающего возможность распространения бесконтрольного
инбридинга и иммунной несовместимости между размножающимися
животными.
Метод трансплантации при разведении овец. Трансплантацию зигот (или
эмбрионов) у овец проводили английские и польские ученые в 50-х годах, но в
дальнейшем эти работы не получили развития. В нашей стране исследования
по трансплантации у овец уже более 20 лет ведет Институт экспериментальной
биологии Академии наук Казахской ССР под руководством академика Ф. М.
Мухаметгалиева. Была разработана комплексная методика, включающая: а)
получение суперовуляции и зрелых фолликулярных ооцитов, б) их инкубацию в
специальной жидкой среде; в) оплодотворение ооцитов в
условиях in vivo и in vitro; г) методику пересадки зигот (эмбрионов) овцематкамреципиентам.
Овцематки-доноры и реципиенты были контрастных пород, а именно:
донорами были овцы тонкорунных пород, осеменение которых проводили
спермой баранов той же породы и получали зиготу с наследственностью,
типичной для тонкорунных овец. Матки-реципиенты были грубошерстной,
курдючной породы (эдильбаевские), у которых шерстный покров резко отличался от руна тонкорунных овец, имевших однородную, тонкую, белую
шерсть У курдючных овец шерсть окрашена в черный или коричневый цвет,
руно не однородно, а состоит из пухового волоса и длинных, грубых, прямых
шерстинок.
Несмотря на то что трансплантированные зиготы находились в организме овцыреципиента в течение 5 мес. ее беременности, родившиеся ягнятатрансплантанты сохранили наследственность тонкорунных овец
Примененный метод суперовуляции у овец-доноров сопровождался одновременным созреванием до 14 яйцеклеток вместо одной, типичной для
породы и вида. Из числа пересаженных зигот приживляемость трансплантантов
составляла более 50%.
Успешные результаты опытов по трансплантации у овец позволили авторам
работы перенести этот прием биотехнологии в практику овцеводства при
решении вопроса о создании новой породы кроссбредных овец в Казахстане с
использованием импортных овец породы линкольн и ромни-марш Обычные
методы завоза баранов этих пород часто усложнялись тем, что импортные
животные плохо акклиматизируются в Казахстане, теряю г половую функцию и
выбывают уже через год после использования.
Для повышения интенсивности использования овец указанных пород было
решено использовать метод трансплантации зигот у небольшой группы
чистопородных линкольнских маток, оплодотворенных линкольнскими баранами. Бараны-трансплантанты были более приспособлены к местному климату,
чем их родители. Эта работа начата в 1974 г. в совхозе «Каскеленский» АлмаАтинской области.
Полученные ярки и баранчики от трансплантации соответствовали требованиям
стандарта линкольнской породы. К 1976 г. получено и выращено 5 барановтрансплантантов. От них получено за 3 года 6850 ягнят и сформировано 4
маточных отары. Продуктивность потомства баранов-трансплантантов высокая.
С 1974 г. в совхозе «Каскеленский» ежегодно проводят по 100 операций с
межпородной пересадкой зигот к овцам-реципиентам (чистопородным
линкольнам я кроссбредным маткам). В последнее время потомство барановтрансплантантов в совхозе «Каскеленский» и «Илийский» превышает 5 тыс.
голов.
Бараны-трансплантанты линкольнской породы, развивавшиеся в маткахреципиентах, приобретают приспособленность к местным условиям, их используют по 4—5 сезонов до 6—7-летнего возраста.
Материнский эффект воздействия матери-реципиента на трансплантируемого
потомка. Вопрос о взаимосвязи плода и беременной самки не ограничивается
только и иммунными взаимодействиями. В зоотехнии и биологии длительное
время рассматривается так называемый «материнский эффект», то есть влияние
беременной самки, ее наследственности и общего состояния на
наследственность и фенотип потомства; это проявляется при отдаленной
гибридизации.
Специальные опыты Хеммонда по скрещиванию контрастных пород лошадей—
тяжеловоза и пони — установили, что качество потомства различается в
зависимости от того, какой породы была мать. Если мать —кобыла-тяжеловоз, а
отец —пони, то потомство уклоняется по ряду внешних признаков (размер,
живая масса) в сторону породы матери. При обратном (реципрокном) подборе,
когда мать-пони, а отец — тяжеловоз, потомок также уклонялся в сторону
материнской породы. Издавна такое преимущественное влияние материнского
организма на качество приплода наблюдалось и при скрещивании кобылы с
ослом, когда получали потомка — мула, а от ослицы с жеребцом — лошака.
Вопрос о влиянии матери-реципиента на трансплантант до сих пор не выяснен
достаточно полно. Наблюдения на овцах, проведенные в Институте
экспериментальной биологии Казахской ССР, показали, что основные внешние
признаки тонкорунных ягнят-трансплантантов сохранили признаки тонкорунной
породы матерей-доноров и не приняли признаков овец-реципиентов
каракульской породы. Однако шерстный покров ягнят-трансплантантов заметно
отличался от контрольных ягнят.
У трансплантантов замечено ослабление извитости шерстинок, некоторое
огрубление шерсти, увеличение длины шерстинок, некоторая изреженность
шерсти, уменьшение жиропотности, что могло быть получено от материреципиента.
Факт «материнского влияния» был получен при межпородных пересадках зигот
от овец-доноров казахской тонкорунной породы к овцам-реципиентам
эдильбаевской породы, конституционально крепким и приспособленным к
местным условиям. Ягнята-трансплантанты в этом варианте были более
крупными, чем контрольные ягнята казахской тонкорунной породы, в годовалом возрасте у них лучше был шерстный покров, длиннее шерсть, выше
настриг шерсти, приспособленность к экстремальным условиям климата.
При использовании биотехнологического приема трансплантации необходимо
учитывать возможное влияние реципиента на качество трансплантированного
материала, который может формировать как положительные, так и некоторые
нежелательные качества у приплода.
Подготовка спермиев к оплодотворению вне организма самки. Для того чтобы
спермин могли оплодотворить яйцеклетку в условиях in vitro, необходимо,
чтобы они прошли определенную подготовку в виде стадии капацитации,
результате которой спермин приобретают способность к оплодотворению, В
естественных условиях стадия капацитации осуществляется в половых путях
самки в результате взаимодействия спермин с тканями и жидкостями полового
тракта самки.
Для капацитации спермиев в условиях in vitro пытались применять различные
биологические среды в виде фолликулярной жидкости, жидкости яйцеводов,
сыворотки крови и синтетических сред, но процесс капацитации получить не
удавалось. Причиной неудач в оплодотворении ооцитов в
условиях In vitro может быть неполноценность цитоплазматического созревания
ооцитов или недостаточная подготовка спермиев в процессе их капацитации и
акросомальной реакции.
Для определения состояния спермиев при инкубации их в различных жидкостях
в условиях in vitro было проведено углубленное исследование нативных и
оттаянных спермиев быка, выявлены с помощью электронного микроскопа их
морфологические особенности в связи с процессом капацитации и проверена
способность к оплодотворению яйцеклеток золотистого хомячка, у которых
была удалена блестящая оболочка (Качура, Служавая, 1985; 1986). Было
доказано, что для достижения оплодотворения в условиях in vitro необходимо
вызывать капацитацию и акросомальную реакцию спермиев, воздействуя
специальными солевыми растворами Наилучшие результаты по подготовке
спермиев к оплодотворению были получены при инкубации в
среде BWW. Доказательством сохранения оплодотворяющей способности
спермиев служил метод проникновения стимулированных спермиев быка с
признаками капацитации в яйцеклетки хомячка, лишенные прозрачной
оболочки. Капацитированные спермин с акросомальной реакцией проявляли
оплодотворяющую способность, проникали в яйцеклетку хомячка. Осеменение
яйцеклеток хомячка может служить методом оценки оплодотворяющей
способности спермы, подвергнутой капацитации в производственных условиях.
Метод оплодотворения in vitro приобретает перспективное значение при
проведении отдаленной гибридизации животных в целях получения животных
нового типа, межвидовых или более отдаленных типов гибридов, так как
естественное спаривание и оплодотворение между животными отдаленных
видов чаще всего затруднены. Получение полноценных зигот при указанной системе капацитации сперматозоидов делает перспективным интенсификацию
воспроизведения животных в условиях искусственного оплодотворения и
инкубации эмбриона.
Контрольные вопросы. 1. Изменение функции генов в онтогенезе животных:
экспрессия, пенетрантность, 2. Критические периоды развития у животных
разных видов. 3. Регуляция синтеза белков в процессе онтогенеза. 4.
Гормональная регуляция и генетические процессы онтогенеза. 5. Антигенные
структуры в гаметах и половой системе самок и самцов. 6. Иммунные процессы,
происходящие при оплодотворении. 7. Иммунные процессы взаимоотношений
матери и плода. 8. Биотехнология интенсификации воспроизведения у
животных, современные методы. Живым организмам, независимо от их
генетической организаций, наряду с наследственностью свойственна
изменчивость. Наследственным изменениям свойств и признаков у микроорганизмов, растений, животных и человека всегда уделялось большое внимание. Ч.
Дарвин придавал им большое значение в эволюции и селекции. Одним из
широко известных примеров наследственных изменений, описанных Дарвином,
является рождение в 1791 г. на ферме Анкон в штате Массачусетс в США
коротконогой овцы, родоначальницы анконской породы (рис.48). Он описывает
также случаи появления однокопытных животных у свиней и многие другие.
В 1899 г. вышла книга русского ботаника, в то время профессора Томского
университета, С. И. Коржинского (1861— 1900) «Гетерогенез и эволюция», в
которой приведен ряд примеров наследственной изменчивости признаков у
растений как источника происхождения видов. Термин «мутация» был введен в
генетику Г. де Фризом, голландским ученым, который в течение многих лет
(1886—1901) изучал явление наследственной изменчивости у растения
энотеры (Oenothera lamarkiana). После тщательного обобщения своих
наблюдений он разработал мутационную теорию, которую сформулировал в
книге «Мутации и периоды мутаций при происхождении видов» (1901) 'Мутациями (от лат. mutatio — изменение, перемена) называют наследственные
изменения признака, органа или овойства, обусловленные изменениями
наследственных структур. Процесс возникновения мутаций
называется мутагенезом. Мутагенез может быть спонтанным, когда мутации
возникают в природе без вмешательства человека, и индуцированным, когда
мутации вызывают искусственно, воздействуя на организм специальными факторами, называемыми мутагенами. Растение, животное, микроорганизм, у
которых произошла мутация, называют мутантами.
Мутации — закономерное генетическое явление, характеризуемое следующими
особенностями. 1) мутационные изменения обусловлены изменением
наследственных структур в половых или соматических клетках и могут
воспроизводиться в поколениях, то есть являются наследственными; 2) мутации
возникают внезапно у единичных особей, носят случайный, ненаправленный
характер, могут быть рецессивными и доминантными; 3) мутации могут идти в
разных направлениях, затрагивать один или несколько признаков и свойств,
могут быть ценными, полезными или вредными. Как, указывают Р. Ригер и А.
Михаэлис (1967), мутации, снижающие выживаемость мутантов более чем на
10%, вредны для природных популяций. В сельскохозяйственной практике
ценность мутации определяется ее значением для селекции; 4) одни и те же
мутации могут возникать повторно.
В зависимости от того, изменением каких наследственных структур
обусловлена мутация, принята следующая их классификация:
Полиплоидия. В широком смысле этого слова полиплоидией называют
геномную мутацию, обусловленную изменением числа хромосом в клетках, а
также процесс возникновения или создания геномных мутантов (полиплоидов).
Полиплоидные формы в природе могут возникать по ряду причин, например изза нарушения митоза, в результате которого происходит неравное расхождение
хромосомом в анафазе, отсутствие цитокинеза, нарушение функций
митотического аппарата; это может наблюдаться и в результате образования и
слияния при оплодотворении нередуцированных гамет, образовавшихся при
нарушении мейоза, а также митотического деления зиготы или соматических
клеток в начальные периоды эмбриогенеза. В зависимости от того, в каких
клетках происходит изменение числа хромосом, различают соматическую,
мейотическую или зиготическую полиплоидию. В природе полиплоиды чаще
всего возникают либо в результате слияния нередуцированных гамет
(мейотическая полиплоидия), либо в результате нарушения первого деления
эиготы (зиготическая полиплоидия). Индуцированные полиплоиды чаще всего
получают, воздействуя на митотическое деление клеток меристемы
(органообразовате-льной ткани у растений), точек роста (соматическая
полиплоидия).
С этой целью точки роста прорастающих семян или веге-тирующих растений в
течение 1—5 ч обрабатывают слабым раствором колхицина (0,01—0,25%).
Алкалоид колхицин блокирует развитие митотического аппарата клетки,
поэтому в ней не происходит расхождения сестринских хромосом к полюсам и
цитокинеза и число хромосом в клетке удваивается. Процесс удвоения числа
хромосом в клетке может продолжаться до тех пор, пока будет действовать
раствор колхицина.
Полиплоидия — явление, широко распространенное в природе, особенно среди
растительных организмов. Многие дикорастущие и культурные виды растений
являются спонтанными полиплоидами. В зависимости от климатических
условий произрастания число полиплоидных видов растений может колебаться
от 35 до 85%. Многие виды покрытосеменных растений образуют
полиплоидные ряды в пределах одного рода. Полиплоидным рядом называют
виды одного рода, у которых число хромосом увеличивается кратно
гаплоидному. Например, полиплоидный ряд пшеницы (род Triticum) содержит
серию видов, четко различимых по числу хромосом:
диплоидные виды (2n=14) —Т. urartu, T. monococcum и др.;
тетраплоидные виды (2n=28) —Т. dicoccum, T. durum, T. turgidum, T. polonicum и
др.;
гексаплоидные виды (2n=42) — Т. aestivum, Т. tompactum, Т. spelta,
Т. persicum, T. vavilovii и др.
Полиплоидный ряд картофеля (род Solatium) включает виды, содержащие в
клетках 24, 48, 72, 96, 120 и 144 хромосомы, полиплоидный ряд щавеля
(род Rumex)—20, 40, 60, 80, 100, 120 хромосом.
Наименьшее гаплоидное число хромосом каждого полиплоидного ряда
называется его основным числом и обозначается буквой л. Например, у
пшеницы основное число хромосом полиплоидного ряда X=7, у картофеля
Х=12, у щавеля X=10. Совокупность хромосом основного числа полиплоидного
ряда называется геномом. В зависимости от плоидности каждый вид содержит
один или несколько геномов Так, растения мягкой пшеницы Г. aestivum имеют
гаплоидный набор хромосом n = 21, то есть содержат 3 генома, обозначаемых
буквами Л, В и D.
Гаплоидия — геномная мутация, в результате которой возникают гаплоиды —
организмы с редуцированным (одинарным) числом хромосом. В клетках
гаплоидов содержится только половина соматического набора хромосом (я),
присущего данному виду, то есть такое же число хромосом, как и в нормальных
половых клетках — гаметах. Гаплоиды могут возникать спонтанно и могут быть
получены индуцированно Гаплоиды бесплодны, но могут размножаться
партеногенетически и сохраняться при вегетативном размножении. Гаплоидные
мутации используют в селекции высших растений. Если у гаплоида удвоить
число хромосом с помощью раствора колхицина или другим методом, то можно
получить гомозиготное по всем генам, нормально плодовитое диплоидное
растение.
Эуплоидия (истинная полиплоидия) — геномная мутация, в результате которой
возникают эуплоиды — организмы, в клетках которых содержится более двух
гаплоидных наборов хромосом одного вида или происходит соединение и
кратное увеличение хромосомных наборов разных видов. Различают
автополиплоидию и аллополиплоидию
Автополиплоидия — процесс возникновения автополиплоидов — организмов, в
клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом,
присущих данному виду. В зависимости от числа хромосомных гаплоидных
наборов различают триплоиды, в клетках которых содержится 3n число хромосом, тетраплоиды (4n), пентаплоиды (5n), гексаплоиды (6n) и т. д.
Впервые явление кратного увеличения числа хромосом в клетках было описано
профессором МГУ И. И Герасимовым, наблюдавшим полиплоидизацию у
водоросли спирогиры в 1890 г. В 1916 г. это явление наблюдал Г. Винклер и дал
ему название «полиплоидия».
Автополиплоидия обусловливает изменение морфологических признаков и
свойств, присущих исходным диплоидным растениям. У полиплоидов в первую
очередь увеличиваются размеры ядра и клетки в целом, а также количество
органоидов цитоплазмы — пластид, митохондрий, рибосом. Для каждого вида
растений существует определенный оптимальный уровень плоидности, то есть
такое кратное гаплоидному число хромосом, при котором растения имеют
наиболее высокую жизнеспособность и продуктивность. Так, для сахарной
свеклы и арбуза оптимальным является триплоидный уровень (у арбуза Зn=33, у
свеклы 3n = 27), для ржи, гречихи, редиса, турнепса — тетраплоидный. У этих
растений при оптимальном уровне плоидности увеличиваются размеры
листовых пластинок, длина и толщина стебля. Чашелистики, лепестки венчика,
пыльцевые зерна, плоды и семена у автополиплоидов крупнее, чем у исходных
диплоидных растений. Полиплоидные сорта ряда культурных растений
получили широкое распространение: тетраплоидная рожь сорт Белта и
Ленинградская тетра; гречиха — Искра, Эмка (Польша), Пенкрад (Канада);
редис — Новосибирский тетра; клевер — Тетраплоидный ВИК (СССР), Ульва
090, Вейбуллский (Швеция), Трипо (Норвегия); триплоидные гибриды сахарной
свеклы — Кубанский полигибрид 9, а также Белоцерковские гибриды 1 и 2 и др.
Особенности мейоза и наследования признаков у автополиплоидов. У
диплоидного организма в профазе I мейоза происходит нормальная конъюгация
двух гомологичных хромосом и образование бивалентов. У тетраплоидных
организмов в клетках содержится четыре гомологичных хромосомы, что
приводит в профазе I мейоза к нарушениям процесса конъюгации и
образованию наряду с бивалентами увивалентов, тривалентов и
тетравалентов. Унивалентами называют одиночные хромосомы в пахитене
профазы I, тривалентами—ассоциации трех,тетравалентами — четырех
гомологичных хромосом. В результате такого нарушения процесса конъюгации
хромосом образуются гаметы и зиготы с числом хромосом, некратным
гаплоидному. Так, например, тетраплоидные растения сахарной свеклы, в
клетках которых содержится 4n = 36 хромосом, могут образовать гаметы,
содержащие от 13 до 23 хромосом, при слиянии которых в процессе
оплодотворения образуются зиготы, содержащие от 26 до 46 хромосом. Зиготы,
содержащие несбалансированное число хромосом, как правило, не реализуются
в семена и плоды, поэтому одним из существенных недостатков искусственно
получаемых автополиплоидов являются пониженная семенная продуктивность
и череззерница. При длительном размножении и тщательном отборе нормально
оерненных растений в процессе селекции достигаются относительная сбалансированность хромосомного набора и стабильная семенная продуктивность у
автополиплоидных растений.
При нормальной конъюгация хромосом и образовании бивалентов наследование
признаков у полиплоидных растений осуществляется значительно сложнее, чем
у диплоидных. В качестве примера можно привести наследование высоты
растений у диплондов и тетраплоидов гречихи. У гречихи ген D обусловливает
высокорослый тип растений с неограниченным ростом Рецессивный аллель
этого гена контролирует так называемые детерминантные (карликовые) формы,
у которых на вершине стебля вместо точки роста образуется обычная цветочная
кисть. При скрещивании диплоидных гомозиготных растений DDXdd в F1 все
растения имеют неограниченный тип роста, бывают высокорослыми, а в
F2 наблюдается расщепление в отношении 3: 1.
При скрещивании тетраплоидных растений» имеющих генотипы DDDDxdddd, при отсутствии нарушений в мейозе все растения F1 будут
высокорослыми (DDad). Они образуют 3 типа гамет в следующем соотношении:
1DD : 4Dd: 1dd. При равновероятном слиянии этих гамет в процессе
оплодотворения у тетраплоидных растений могут в F2 образоваться следующие
генотипы: 1DDDD : 8DDDd : 18DDdd : 8Dddd : 1ddd. При полном доминировании в F2 может наблюдаться расщепление по фенотипу в соответствии
35 высокорослых: 1 карликовый. Еще более сложно наследуются у
тетраплоидов признаки, обусловленные взаимодействием неаллельных генов по
типу комплементарности и полимерии.
Аллополиплоидами называют растения, в кариотипе которых содержатся
удвоенные наборы хромосом разных видов и родов Они могут возникать в
природе или могут быть получены искусственным путем при удвоении числа
хромосом у межвидовых или межродовых гибридов. Аллогюлиплоиды,
созданные в результате удвоения числа хромосом у растений, полученных от
скрещивания особей, относящихся к двум разным видам или родам,
называются амфидиплоидами (от греч. amphi — оба). Если аллополиплоид
содержит удвоенные числа хромосом трех видов или родов, его
называют аллртриплоидом.
Аллополиплоидам обычно присущи признаки и свойства исходных диплоидных
родительских форм в различных сочетаниях, как это обычно бывает при
межвидовой и межродовой гибридизации. Полиплоидизация позволяет
восстановить плодовитость, так как межвидовые и особенно межродовые
гибриды, как правило, бесплодны.
Первые амфидиплоиды были получены Г Д. Карпеченко в 1924 г. Он скрещивал
редьку Raphanus sativus (2n=18) с капустой Brassika oleracea (2n =18). Хотя эти
виды содержат одинаковое число хромосом, но хромосомы не конъюгируют и
растения F1 были бесплодными, хотя и имели мощное развитие. Но единичные
гаметы содержали нередуцированное число хромосом (9B+9R). При слиянии
таких гамет растения F2 содержали 36 хромосом (18B+18R). У них нормально
протекал мейоз, они были плодовитыми, мощно развитыми и давали
константное потомство. Растения сочетали признаки обоих видов. Г. Д.
Карпеченко редечно-капустные амфидиплоиды предложил называть
«Рафанобрассика» (Raphanobrassika).
Важное практическое значение имеют амфидиплоиды, полученные путем
удвоения числа хромосом у пшенично-ржаных межродовых гибридов,
названных, по предложению В. Е. Писарева, Тритикале. Они могут быть
окташюидами (2n = 56) и гексаплоидами (2n = 42). Тритикале является ценной
зернокормовой культурой. Лучшие сорта этой культуры дают высокий урожай
зеленой массы и зерна, поэтому у нас в стране и за рубежом ведется
интенсивная работа по созданию сортов тритикале, приспособленных к
почвенно-климатическим условиям соответствующей зоны.
Октаплоидные тритикале получают при скрещивании с рожью мягкой
пшеницы, гексаплоидные — твердой и других видов пшениц, имеющих 2n=28
хромосом (схема).
Путем аллоплоидий можно получать растения, содержащие геномы разных
видов и родов, и создавать новые формы, не существующие в природе. Этим
методом можно воссоздавать (ресинтезировать) уже существующие виды,
предки которых исчезли. В. А. Рыбин в 1930 г, с помощью аллополиплоидии
осуществил ресинтез культурной сливы Он скрестил тёрн с алычой. Среди
гибридных растений ему удалось выделить одно, сходное с культурной сливой,
в клетках которого содержались присущие этому виду 48 хромосом:
Гетероплоидами или анецплоидами называют организмы, число хромосом у
которых некратное гаплоидному Гетероплоиды могут возникать разными
путями. В одних случаях они образуются в результате отхождения двух
гомологичных хромосом к одному полюсу в анафазе I мейоза или в анафазе
митоза. Чаще всего они образуются в результате отсутствия конъюгации гомологичных хромосом и образования унивалентов. Униваленты, как правило, не
ориентируются надлежащим образом и могут отойти к одному полюсу.
Причиной возникновения гетероплоидов может быть также отсутствие
разделения хромосом на хроматиды. В этом случае нарушается их расхождение
в дочерние клетки при втором делении мейоза. В том и другом случаях могут
образоваться гаметы с набором хромосом, некратным гаплоидному: п—1, n+1.
При слиянии этих гамет в процессе оплодотворения могут образоваться зиготы,
содержащие 2n— 1, 2n—2, 2п+1 и 2n+2 хромосом. В зависимости от числа
дополнительных или недостающих хромосом применяют следующие
термины: 2п—112— моносомик, 2п—212 — нуллисомик, 2п+15— трисомик,
2n+25 — тетрасомик. Цифра внизу указывает номер хромосомной пары в
кариотипе, в которой изменилось число хромосом.
Гетероплоидию в генетике растений попользуют для определения групп
сцепления генов, в селекции — для получения межсортовых замещенных линий
и создания так называемых дополненных линий, одна пара хромосом у 'которых
замещена идентичной парой гомологичных хромосом другого сорта, в которой
содержатся гены, контролирующие хозяйственно ценные признаки. Для этого
создается полный набор гетероплоидных форм по всем парам гомологичиых
хромосом. Впервые полные серии мносомиков и нуллисомиков были получены
Э. Сирсом у мягкой яровой пшеницы сорта Чайниз Спринт (Китайская яровая) в
40—50-х годах. Нуллисомики по разным парам гомологичных хромосом четко
различаются по высоте растений, (морфологическому отроению, величине и
стерильности колоса, поэтому можно определить локализацию генов в
соответствующих хромосомах.
Полиплоидия у животных и человека. Полиплоидия у животных встречается
крайне редко. Единственный известный случай полиплоидии у млекопитающих
— золотистый хомячок, в кариотипе которого содержится 44 хромосомы, в то
время как у животных других родов серого и обыкновенного хомяка их 22. Ис-
кусственно тетраплоидные формы удавалось получать у некоторых видов рыб и
амфибий, но сохранить тетраплоидное число хромосом в потомстве и даже
просто получить потомков не удавалось. Так, у аксолотля были получены
тетраплоидные самки. При скрещивании их с диплоидными самцами было
получено триплоидное, полностью бесплодное потомство. При скрещивании
двух подвидов японской лягушки были получены аллоплоиды, но они были
бесплодны.
Отмечен единичный случай рождений мальчика-триплоида, в генотипе
которого содержалось 66 аутосом и XXY-половых хромосом; масса при
рождении 2190 г; видимых нарушений в развитии отдельных частей тела не
наблюдалось. Среди абортированных плодов человека отмечены также случаи
образования триплоидных эмбрионов.
Гетероплоидия наиболее изучена у человека. Установлено, что хромосомные
нарушения определяют мертворождение или смерть новорожденных в течение
первого и последующих лет жизни. Вместе с тем в некоторых случаях
рождаются и живут относительно продолжительное время дети-трисомики по
какой-либо хромосоме, но во всех случаях трисомия вызывает пороки развития.
В 1960 г. был описан синдром Патау — тяжелое заболевание, обусловленное
трисомией по 13-й хромосоме. Частота встречаемости — 1 : 5000—7000
новорожденных. При этом наблюдаются высокая ранняя смертность, пороки
головного мозга и лица, полидактилия (многопалость), пороки внутренних
органов, в том числе перегородок сердца.
Синдром, или болезнь, Дауна обусловлен трисомией по 21-й хромосоме,
наиболее часто встречается у новорожденных, в среднем составляет около 1 на
700—800 рождений. Трисомия по этой хромосоме бывает причиной ряда
пороков развития: пороки сердца, пищеварительного тракта, патология в форме
головы и лица, разболтанность суставов, умственная отсталость.
Причиной трисомии является неравное расхождение хромосом в мейозе у
одного из родителей, чаще — у матери Причин нарушения мейоза может «быть
много, в том числе и возраст матери, как это установлено для синдрома Дауна.
Весьма разнообразны случаи гетероплоидии у человека по половым
хромосомам. По данным Н. П. Кулешова, частота их встречаемости около
1,6:1000 рождений. Моносомия по Х-хромосоме обусловливает синдром
Шерешевского—Тернера. Для него характерны бесплодие, недоразвитие
половых признаков, врожденные соматические пороки развития, низкий рост.
Довольно часто встречается трисомия по половым хромосомам у мальчиков.
Причем, если в кариотипе присутствует несколько дополнительных Х-хромосом
и хотя бы одна У-хромосома, рождаются мальчики. Частота таких рождений
составляет 1,39—1,98 на 1000 рождений мальчиков. Отмечены случаи рождения
мальчиков и с ди- и трисомией по У-хромосоме (синдром Клайнфельтера). В
этом случае в начальный период развития у больных не наблюдается
существенных аномалий, но для них, как правило, характерно бесплодие.
Хромосомные аберрации (перестройки). Изменение структуры хромосом
вследствие их разрывов и перестроек называют хромосомными
аберрациями. Любому структурному изменению хромосомы предшествует ее
разрыв, при котором получаются два фрагмента, каждый из них имеет по
одному «клейкому» концу, а они, в свою очередь, способны соединиться с
любым другим «клейким» концом этой или другой хромосомы. Характер
хромосомной перестройки во многом зависит от состояния хромосомы в момент
воздействия мутагенного фактора. Если хромосома находится в состоянии
одиночной нити (период G\ интерфазы, анафаза и телофаза митоза), то в
последующий период S интерфазы она удваивается и аберрация сохраняется в
обеих хроматидах, то есть возникают хромосомные аберрации.
Если мутаген действует на хромосому, находящуюся в состоянии двойной нити
(период G2 или S интерфазы, профаза и метафаза митоза), аберрация может
произойти только в одной хроматиде. В этом случае возникают хроматидные
перестройки.
Различают внутри- и межхромосомные аберрации. К внутри-хромосомным
относят делеции, дефишенси, инверсии, дупликации и фрагментации. К
межхромосомным — транслокации. Тип хромосомной аберрации обозначают
символом с указанием порядкового номера хромосомы, в которой она
произошла. Например, если в 5-й хромосоме произошла делеция, ее обозначают
символом Dl (5), инверсия In (5), транслокация между 5-й и 1-й хромосомами
обозначается Т (5—1) (рис. 49).
Делеция — выпадение участка хромосомы в средней ее части, содержащего
обычно целый комплекс генов. В случае выпадения концевого участка
возникает концевая делеция — дефишенси.Когда делеция и дефишенси
захватывают небольшой фрагмент хромосомы, это вызывает изменение
признака, например желтую окраску тела и белоглазие у дрозофилы. Крупные
делеции, как правило, легальны и вызывают гибель организма. Известна
крупная делеция 21-й хромосомы человека, которая вызывает тяжелую форму
белокровия.
Инверсия (In) возникает в результате разрыва хромосомы одновременно в двух
местах с сохранением внутреннего участка, который воссоединяется с этой же
хромосомой после поворота на 180°. В этом случае группа сцепления генов в
данной хромосоме сохраняется, но изменяется положение генов относительно
друг друга. Инверсия не влияет на фенотип особи, но при этом нарушается
конъюгация гомологичных хромосом в мейозе и в анафазе I образуются
инверсионные мосты.
Дупликация (Dp) — удвоение участка хромосомы. Обычно дупликация не
оказывает сильного влияния на фенотип особи. Вместе с тем увеличение дозы
одного и того же гена может вызвать фенотипическое изменение характера
проявления признака, как это имеет место у дрозофилы при дупликации
гена Ваr (полосковидные глаза). При дупликации данного гена уменьшается
число фасеток в глазах насекомого и усиливается деформация глаз.
Фрагментация (F) происходит в результате разрыва хромосом или хроматид в
нескольких местах одновременно и образования отдельных фрагментов
хромосом с последующей утерей в митозе тех из них, которые не содержат
центромеры. Как правило, фрагментация обусловливает возникновение
летальных мутантов.
Транслокация (Т) — обмен участками между негомологичными хромосомами;
ее относят к межхромосомным аберрациям, так как структурные изменения
происходят одновременно в двух или более негомологичных хромосомах.
Транслокации не изменяют числа генов в данном генотипе и не всегда
проявляются фенотипически, но у особей, гетерозиготных по транслокации,
нарушается конъюгация гомологичных хромосом и образуются
нежизнеспособные гаметы. Японский ученый Й. Тазима в 1959 г, при обработке
икс-лучами тутового шелкопряда перенес наY-хромосому (половая хромосома у
тутового шелкопряда детерминирует женский пол) ген черной окраски грены.
X-хромосома не несет этого гена, поэтому белые яички дают самцов, черные —
самок. С помощью фотоэлемента можно осуществить сортировку грены и
снабжать шелководов греной, из которой выводятся только самцы, образующие
более крупные коконы.
Генные мутации. Генными, или точковыми, мутациями называют изменения
структуры молекулы ДНК на участке определенного гена, кодирующего синтез
соответствующей белковой молекулы. Следует отметить, что молекула ДНК
проявляет относительно высокую стабильность и устойчивость к мутагенам,
обладает свойством восстанавливать первоначальную структуру и исправлять
повреждения, если они затрагивают только одну из комплементарных цепочек.
Процесс восстановления первоначальной структуры и исправления
повреждений молекулы ДНК называется репарацией. Наиболее изучены
фотореактивация и темновая репарация,
Фотореактивация осуществляется фотореактивирующим ферментом. Свет
активирует фермент, и он восстанавливает исходную структуру молекулы ДНК,
поврежденную ультрафиолетовыми лучами.
Темновая репарация — механизм исправления различных повреждений
молекулы ДНК, вызванных химическими или физическими мутагенами.
Темновая репарация протекает в несколько этапов, которые были установлены
на примере Е. coli P. Сетлоу в 1964 г. При этом участвуют четыре типа
ферментов, последовательное действие которых исправляет повреждение ДНК,
если на данном участке повреждена только одна из двух комплементарных
нитей ДНК. Схематично этот процесс может быть представлен следующим
образом (рис. 50):
1.
Фермент эндонуклеаза «обследует» молекулу ДНК, опо
знает место повреждения, вблизи него «надрезает» нить ДНК в
начале и в конце поврежденного участка и удаляет его.
2.
Фермент экзонуклеаза расширяет поврежденный участок,
удаляя из нити ДНК 500—1000 нуклеотидов, примыкающих к
поврежденному участку. Такое расширение места повреждения
необходимо для последующего его «застраивания».
3.
Фермент ДНК-полимераза синтезирует удаленный участок
молекулы ДНК, располагая нуклеотиды комплементарно второй
неповрежденной нити.
4.
Фермент лигаза скрепляет синтезированные ДНК-полимеразой
фрагменты ДНК друг с другом и с концами поврежденной нити ДНК.
Таким образом, осуществляется полное восстановление поврежденных
участков молекулы ДНК, и она приобретает первоначальную структуру.
Репарация молекулы ДНК, как правило, протекает в период
G1 митотического цикла. При этом происходит исправление структурных
повреждений молекулы ДНК, разрывов полинуклеотидных цепей,
удаление некомплементарных нуклеотидов.
Если в молекуле ДНК на одном и том же участке одновременно
повреждаются обе комплементарные нити, то это повреждение не
восстанавливается и проявляется в виде генных, или точковых, мутаций.
Мутации могут возникать в результате выпадения или вставки
нуклеотидных пар в молекуле ДНК на участке соответствующего гена или
замены одного нуклеотида на другой, когда вместо тимина становится
гуанин или вместо гуанина — аденин.
Под действием мутагена во втором триплете выпадает нуклеотид тимин, а
в седьмом произошла вставка нуклеотида тимина. Вследствие этого на
участке данного гена произойдет «сдвиг рамки считывания» мРНК и в
полипептидной цепи будут кодироваться другие аминокислоты:
В том случае, когда произошло выпадение или добавление хотя бы одной
пары нуклеотидов, нарушается транскрипция — сдвигается «рамка
считывания» при синтезе мРНК, изменяется порядок чередования
аминокислот в полипептидной цепи, кодируемой данным геном. Так,
например, на одном из участков ДНК у вируса Т4 в норме имеется
следующее чередование триплетов, обеспечивающее соответствующий
порядок расположения аминокислот в полипептидной цепи:
Фенотипическое проявление мутации зависит от того, на каком участке
произошла вставка или выпадение нуклеотидной пары. Если она выпала
вблизи промотора, то есть в начале структурного гена, то
транскрибируется сильно измененная мРНК, транслируется
«испорченная» полипептидная цепь и белковая молекула, не выполняя
своей функции, быстро инактивируется. Если вставка или выпадение
нуклеотидной пары произошли на конечном участке данного гена в
молекуле ДНК или, как в нашем примере, выпадение сочетается с
добавлением нуклеотидной пары, то это не приведет к инактивации
белковой молекулы, но повлияет на качество кодируемого белка и обусловит изменение признака или свойства.
При замене в триплете ДНК одного нуклеотида другим в полипептидной
цепи произойдет замена только одной аминокислоты. Так, например, на
участке ДНК, кодирующем белок глобин человека, в триплете ГТЦ
нуклеотид гуанин может замениться тимином и в полипептидной цепи
вместо аминокислоты глутамина будет кодироваться лизин. Такое явление
получило название «миссенс-мутация».
Миссенс-мутацией называют замену на участке структурного гена одной
нуклеотидной пары другой, в результате чего кодируется включение в
полипептидную цепь «неправильной» аминокислоты. В этом случае в
молекуле ДНК возникает новая аллель данного гена, происходит
мутационное изменение фено-тйпического проявления признака. Это
явление получило название множественного аллелизма.
Множественным аллелизмом называют различное состояние одного и того
же гена (локуса), обусловленное точковыми мутациями,
детерминирующими различное проявление одного и того же признака или
свойства. Аллели одного гена, возникшие в результате точковой мутации,
называют множественными аллелями.
Впервые множественный аллелизм был установлен в 1929— 1930 гг. А. С.
Серебровским, Н. П. Дубининым и Б. П. Сидоровым у дрозофилы на
примере локуса гена scute. Множественные аллели этого гена —
sc1, sc2, sc3 — вызывали различный характер редукции щетинок на теле
дрозофилы.
Ярким примером множественного аллелизма могут служить аллели,
кодирующие синтез глобина — белка, необходимого для образования
сложных молекул гемоглобина крови. Замена только одной из 300
аминокислот в белковой молекуле глобина обусловливает новый тип
гемоглобина. В настоящее время известно около 100 типов гемоглобина,
контролируемых серией множественных аллелей. Например, молекула
глобина А (нормальный тип гемоглобина) на одном из участков
полипептидной цепи имеет следующий порядок чередования аминокислот:
— пролин — глутаминовая кислота — глутаминовая кислота — лизин —.
Замена нуклеотидов на данном участке ДНК обусловливает кодирование
другого типа гемоглобина:
В гомозиготном состоянии гемоглобин обусловливает тяжелое
наследственное заболевание — серповидно-клеточную анемию.
Примером множественного аллелизма является нарушение кодирования
фермейта триптофансинтетазы, обеспечивающего синтез аминокислоты
триптофана у кищечной палочки E. coli,
На участке гена, кодирующего синтез данного фермента, вследствие
точковой мутации происходит изменение порядка чередования
нуклеотидов в молекуле ДНК на участке триплета, кодирующего
аминокислоту глицин. Это определяет замену глицина в полипептидной
цепи глутамином или аргинином.
Интересно, что у животных белковые молекулы, выполняющие сходные
функции, различаются небольшим числом аминокислот. Так, молекулы
инсулина у животных разных видов отличаются составом аминокислот
только на одном участке молекулы (табл. 4).
Генные мутации могут возникать не только в одном, но и в разных генных
локусах, имеющих сходное влияние на характер развития признака,
поэтому при работе с мутантами бывает необходимо установить,
действительно ли причиной мутации являются множественные аллели.
Для этого используют метод, предложенный Т. Г. Морганом и получивший
название «критерий аллелизма. Если при скрещивании двух мутантов
в F1 проявляется признак одного из них, a a F2 наблюдается расщепление в
отношении 3: 1, то имеет место множественный аллелизм одного гена.
Если при скрещивании двух мутантов в F1 проявляется признак дикого
типа, а в F2 имеет место расщепление в отношении 9:7, как при
комплементарном взаимодействии, то мутировали разные гены:
Множественные аллели обозначают символом основного гена с буквенным
либо цифровым знаком. Например, у томатов в локусе длинного плеча
второй хромосомы известна серия аллелей, детерминирующих различную
высоту растений. Аллель d+ (дикий тип) контролирует нормальную высоту
растений, он доминантен к другим аллелям данной серии. По степени
доминирования при выращивании растений в теплице аллели располагаются следующим образом:
Серией множественных аллелей детерминируется и полиморфизм белков у
животных. В 1957 г. Эштон у крупного рогатого скота установил
полиморфизм белков трансферрина, составляющего около 3—6%
сыворотки крови. Белок трансферрин состоит из одной полипептидной
цепи, включающей около 750 аминокислот. Полиморфизм трансферрина
проявляется в виде различных фракций при электрофорезе. Локус
трансферрина обозначают буквами Tf, а его аллели —
TfA, TfD, TfE. Наследуются они по типу кодоминирования, то есть в
гетерозиготном состоянии проявляются фракции, кодируемые обоими
аллелями.
Наследование признаков, контролируемых множественными аллелями,
имеет сложный характер. Различают следующие основные типы
доминирования:
полное доминирование; доминантный аллель подавляет проявление любого
другого аллеля данной серии. Остальные аллели детерминируют более
слабое проявление признака, а в гетерозиготном состоянии обладают
кумулятивным (суммирующим) эффектом. По такому типу наследуется
синтез пигмента меланина, определяющего интенсивность окраски меха у
гвинейской (морской) свинки. Если принять количество меланина, синтезируемого животными, имеющими генотип СС, за 100%, а саса— за 0
(альбиносы), аллель сr —42%, a cd — 39%, то при полном доминировании
аллеля С у животных, имеющих генотипы СС, Ccr, Ccd, Cca, будет
содержаться 100% меланина и они будут иметь темную окраску.
Содержание меланина у животных» имеющих другие генотипы, зависит от
сочетания аллелей: животные с генотипом сrсr будут иметь 84%
меланина, crcd— 74, сrса — 42, cdcd— 67, cdca — 39%, саса — 0, то есть будут
альбиносами;
ступенчатое доминирование; каждый аллель доминирует над
последующим и сам, в свою очередь, является рецессивным по отношению
к предыдущему. Примером ступенчатого доминирования может быть
наследование окраски меха у кролика, которая контролируется серией
аллелей гена С;
кодоминирование; при этом типе наследования в гетерозиготе
одновременно на признак влияют оба аллеля. Примером может служить
наследование трансферринов у крупного рогатого скота. В гетерозиготном
состоянии проявляются типы трансферринов, кодируемые обоими
аллелями — TfATfD или TfDTfB.
Классификация хромосомных и генных мутаций по фенотипу. Изменения в
строении хромосом и генов обусловливают изменение свойства, признака
или органа у конкретной особи — у вируса, бактерии, растения, животного
или человека. Мутации по фенотипическому проявлению условно
классифицируют на морфологические, физиологические и биохимические.
Морфологическими мутациями называют наследственные изменения в
строении органов или отдельных признаков. У растений — изменение
окраски листа, цветка, соцветия, строения и размера листовой пластинки,
формы и окраски плодов и семян. У животных — изменение окраски меха,
коротконогость, отсутствие шерстного покрова или оперения. У насекомых
наиболее тщательно изучены морфологические мутации у дрозофилы
(рис.51).
Физиологические мутации обусловливают понижение или повышение
продуктивности или жизнеспособности особи, устойчивость или
восприимчивость к болезням, факторам внешней среды. К
физиологическим мутациям относят
также летальные и сублетальные мутации.
Биохимическими мутациями называют изменения характера обмена
веществ в организме, нарушающие или изменяющие синтез веществ,
особенно ферментов, структурных белков, аминокислот, углеводов и
других веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности.
Например, у растений наиболее часто возникают хлорофилловые мутации:
когда в хлоропластах нарушается синтез хлорофилла, листья приобретают
желто-зеленую или желтую окраску.
Эта классификация условна, так как несомненно, что причиной
морфологических изменений является нарушение процесса синтеза того
или другого фермента или структурного белка.
Ф. Хатт в книге «Генетика животных» (1969) описывает мутации у
различных видов сельскохозяйственных животных и птиц: у крупного
рогатого скота, лошадей, свиней, овец, кур и др.
В разведении животных особое внимание уделяют появлению
нежелательных, вредных, летальных или полулетальных мутаций
(бесшерстность, беззубость, укорочение позвоночника, укорочение нижней
челюсти, сращение ноздрей, недоразвитие мозжечка у крупного рогатого
скота; изогнутость передних конечностей, частичное отсутствие кожи,
бесшерстность у лошадей; отсутствие конечностей, волчья пасть, паралич
задних конечностей, дефекты строения копыт у свиней; уродливый череп,
отсутствие конечностей, бесшерстность, дефекты строения копыт у овец).
Особенно много летальных мутаций описано у кур: коротконогость
(ползающие куры), карликовость, отсутствие верхней или нижней части
клюва, двупалость, отсутствие оперения, слепота (рис. 52). Большая часть
мутаций у животных обусловливает патологическое развитие органов.
Вместе с тем некоторые мутации используются человеком при создании
новых пород, например, создание различных пород норок, имеющих ценную окраску меха, разведение курчавоперых кур, серых каракульских овец
и т. д.
В естественных условиях мутации одного признака возникают
сравнительно редко. Так, например, у дрозофилы
мутация white (белоглазие) возникает с частотой 1:100000 гамет, у человека
многие гены мутируют с частотой 1:200 000 гамет, но число генов,
контролирующих все признаки организма, очень велико, поэтому и
возможность появления мутаций довольно высокая.
Предполагают, что у дрозофилы одна мутация возникает на 50—100 гамет.
Частота мутаций может увеличиваться, если условия обитания или
произрастания будут осложнены различными факторами, вызывающими
появление мутаций.
В зависимости от того, какие органы затронуты мутагенезом, различают
соматические и генеративные мутации. Генеративными называют
мутации, которые происходят в половых клетках или зиготе. В этом случае
мутации передаются потомству при половом размножении, если они не
обусловливают бесплодие. Доминантные мутации проявляются уже
в первом поколении, рецессивные — во втором или последующих
поколениях, когда они перейдут в гомозиготное состояние.
Соматические мутации возникают в любых клетках или органах
животного или растения и при половом размножении (если они не
затрагивают воспроизводительную систему) потомству не передаются. У
растений соматические мутации могут сохраняться при вегетативном
размножении. У плодовых деревьев, у роз, хризантем соматические
мутации могут происходить в так называемых «спящих» почках. Если
такие почки при вегетативном размножении сохраняют ценные
мутировавшие признаки, то они становятся родоначальниками новых
сортов. Таким методом И. В. Мичурин вывел новый сорт яблони —
Антоновка шестисотграммовая.
Размах мутационной изменчивости каждого «вида подчиняется закону
гомологических рядов в наследственной изменчивости, установленному
великим русским ученым Н. И. Вавиловым.
1. Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами
наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм
в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм
у других «видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей
системе роды и линеоны (виды), тем полнее сходство в рядах их изменчивости.
2. Целые семейства растений в общем характеризуются определенным
циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющее
семейство» (Вавилов Н. И. Закон гомологических рядов в наследственной
изменчивости. В кн. «Теоретические основы селекции растений». Т, 1. М.;
Л.; Сельхозгиз, 1935. С. 106).
Этот закон был установлен Н. И. Вавиловым для растений, но он
полностью соответствует характеру мутационной изменчивости и у
животных. Например, для всех видов млекопитающих характерно
появление коротконогих и карликовых мутантов; для близких видов в
пределах одного семейства или для животных близких семейств можно
предсказать возможность появления сходной окраски меха — белой,
коричневой, серой, черной. Важное значение имеет закон Н. И. Вавилова
при получении индуцированных мутаций.
Индуцированные мутации. Впервые они были получены в 1925 г. ©
Ленинградском радиевом институте Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым на
дрожжевых грибах. В 1927 г. Г. Мёллер в США получил индуцированные
мутации у дрозофилы в результате воздействия на насекомых лучами
радия. С 1928 г. Л. Стадлер начал использовать лучи Рентгена для
получения мутаций у ячменя и кукурузы, Э. Баур и Г. Штубе — у львиного
зева. Большая заслуга в развитии химического мутагенеза и создании
химических супермутагенов принадлежит советскому ученому И. А.
Рапопорту. Индуцированный мутагенез позволяет наиболее полно выявить
возможности генотипа, создать генетические коллекции с учетом всех
возможных изменений органов, признаков и свойств у данного вида.
Мутации имеют исключительно важное значение при составлении
генетических карт.
Особенно широко индуцированный мутагенез применяют в селекции
растений для создания исходного материала. При этом мутанты
используют либо непосредственно для выведения нового сорта, либо в
качестве родительских форм в гибридизации. Мутанты послужили основой
при выведении сорта яровой пшеницы Новосибирская 67, подсолнечника
Первенец, фасоли Солярис, люпина Горизонт и Киевский мутант. Чаще
всего индуцированные мутанты используют в качестве одной из родительских форм в гибридизации. В Швеции и Дании большинство сортов ячменя
создано с применением мутантов Паллас, Мари и др. В селекции
короткостебельных сортов пшеницы широко используются мутанты
Норин 10, Краснодарский карлик 1, у ржи — мутант В. Д. Кобылянского
МЕ-1. В создании сортов и гибридов кукурузы с высоким содержанием
аминокислот лизина и триптофана важную роль играют мутанты Опейк 2
и Флаури 2.
Условно мутагены подразделяют на две группы — физические и
химические. Физическими мутагенами являются ионизирующие излучения
— рентгеновские лучи, гамма-лучи, бета-частицы (электроны и протоны),
нейтроны, альфа-частицы. Частота мутаций у вирусов, бактерий, растений,
лабораторных млекопитающих прямо пропорциональна дозе облучения,
поэтому в экспериментальном мутагенезе необходимо строго учитывать
дозы радиации, которые измеряют либо в единицах Рентгена (Р), либо в
радах. Разные формы живых существ имеют различную чувствительность
к ионизирующим излучениям, поэтому обычно для каждого вида
определяют дозу летальную, критическую и иногда — стимулирующую.
Летальная доза ионизирующего излучения для мыши — 600 Р, для
человека —700 Р. Ионизирующие излучения вызывают необратимые
изменения генетического аппарата.
Химические вещества могут вызвать изменения генетического аппарата
клетки и обусловить мутации. Наиболее сильные химические мутагены,
называемые супермутагенами, принадлежат к группе так называемых
алкилирующих соединений — диметилсульфат, иприт, этиленимин, Nнитрозоалкилмочевина, нитрозометилмочевина, нитрозоэтилмочевина
Супермутагены значительно (в 5—50 раз) увеличивают частоту
возникновения мутаций по сравнению с природной. К числу химических
мутагенов могут быть отнесены аналоги азотистых оснований, акридиновые красители, уретан, формальдегид и другие вещества. Некоторые
из них могут вызывать образование злокачественных опухолей у
животных и человека.
Мутационная изменчивость — закономерное генетическое явление. Она
имеет важное теоретическое значение и широко используется для
выявления тонкого строения хромосом и генов, изменения наследственной
информации, закодированной в молекулах ДНК, реализации измененной
наследственной информации в процессе биосинтеза и в онтогенезе особи.
Мутационная изменчивость играет важную роль в познании эволюции
живой природы» а также в практической селекции для создания новых
сортов растений.
Познание закономерностей мутагенеза является необходимым условием
для разработки мер, ограждающих генотипы растений, животных и
человека от повреждающего действия мутагенных факторов. Контрольные
вопросы. 1. Дайте классификацию мутаций по генотипу. 2. Что такое
полиплоидия? Какие типы полиплоидов вы знаете? 3. Какие причины
обусловливают возникновение гетероплоидов? Приведите примеры
гетероплоидии у человека. 4. Какие типы хромосомных аберраций вы
знаете? 5. Какое теоретическое и практическое значение имеет Закон
гомологических рядов в наследственной изменчивости? В чем его
сущность? 6. Каким образом генные мутации обусловливают явление
множественного аллелизма? Приведите примеры наследования
признаков, контролируемых серией множественных аллелей. 7. Какое
значение имеет индуцированный мутагенез?
ГЛАВА 11. БИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ИЗМЕНЧИВОСТИ И
НАСЛЕДУЕМОСТИ ПРИЗНАКОВ У ЖИВОТНЫХ
Современная наука о наследуемости и изменчивости многообразных
признаков организмов попользует для изучения не только присущий
биологии и генетике комплекс специфических методов исследования,
но в значительной мере опирается на различные математические
приемы анализа, оценки и характеристики многообразных признаков
и свойств живых объектов.
Внедрение в биологию математических методов, в том числе
биометрии и статистики как специфических разделов современной
математики, отражает необходимость интенсификации познания в
эпоху научно-технического прогресса
Развитие современного животноводства сопровождается накоплением большого количества информации по многим вопросам
общей, прикладной генетики и селекции. В задачу науки входят
классификация этих данных, их упорядочение и систематизация,
научный анализ, завершающийся формулировкой практических
предложений для дальнейшего развития и совершенствования той
или иной отрасли животноводства. Необходимы своевременный
анализ фенотипической и генетической изменчивости и
наследуемости признаков, характеризующих большие массивы
животных (породу, стадо), моделирование селекционного процесса в
динамике по поколениям и прогноз дальнейшего развития
селекционных признаков и увеличения генетического потенциала
популяции в целом и отдельных групп животных, составляющих
популяцию.
Основные направления применения биометрии в генетике и селекции
животных:
определение степени фенотипического уровня признаков у особей
совокупности путем вычисления таких параметров, как средние
величины: средняя арифметическая ( ), геометрическая (G),
квадратическая (S), гармоническая (H), мода (Мо), медиана (Me);
определение степени фенотипической и генотипической изменчивости признаков с помощью среднего квадратического отклонения (ơ), коэффициентов изменчивости (Cv), варианс (ơ 2);
выявление особенностей и типов варьирования количественных и
качественных признаков и характера распределения особей с разным
уровнем признаков (нормальное, асимметричное, эксцессивное,
биномиальное, пуассоново, трансгрессивное). Для этого используют
уравнения, функции и статистические параметры распределения;
определение величины фенотипической и генетической коррелятивной связи между различными признаками и ее направления с
использованием коэффициентов корреляции (r), регрессии (b),
корреляционного соотношения (η), ранговых коэффициентов
связи (rs);
определение доли влияния различных факторов на фенотипическую
и генетическую изменчивость признака с использованием
дисперсионного и факторного анализа;
сравнение групп по величинам средних, степени изменчивости,
вариансам, частотам, коэффициентам связи, теоретическому и
эмпирическому распределению с применением метода статистических
ошибок, критерия достоверности Фишера, Стьюдента, метода x2 и
путем проверки состояния генного равновесия в популяциях и
определения генетического расстояния или сходства;
определение характеристик популяции по комплексу генетических и
статистических параметров: степени гомо- и гетерозиготности,
генетическому равновесию, коэффициентам наследуемости и
постоянства, проявлению гетерозиса и инбредной депрессии;
проверка генетических гипотез о типе наследования (доминантности,
рецессивности, кодоминантности).
Теория вероятностей и закон больших чисел — основа биометрии.
Основные теоретические положения, на которых строят
биометрические принципы анализа, базируются на математической
статистике, теории вероятностей и законе больших чисел, которые
выявляют закономерности проявления случайных событий на фоне
массового материала.
Объектом биометрии служит варьирующий признак, учтенный в
имеющей достаточную численность группе особей, однородной по
ряду других основных признаков.
Варьирование любого признака у особей группы обусловлено
комплексом многообразно и разнонаправлено, в том числе и случайно
действующих факторов, таких как различия по наследственности,
факторам среды, физиологическому состоянию и т. д. В результате
многофакторного воздействия реакция организмов неодинакова, что
приводит к индивидуальному варьированию величины признака
даже при относительной однородности группы по другим признакам.
Варьирующие признаки принято обозначать буквами латинского
алфавита — х, у и т. п., а их варианты — х1 х2,..., хп; у1 , У2,..., У п.
Понятие о качественных и количественных
признаках. Сельскохозяйственным животным свойственно большое
разнообразие морфологических, физиологических, хозяйственно
полезных признаков. Многие из них имеют значение для практики
животноводства, и на улучшение и совершенствование их направлена
племенная работа. В то же время многие признаки не играют
практической роли и не являются объектом селекционного воздействия. Все хозяйственно полезные признаки животных подразделяют на качественные и количественные.
К качественным признакам животных относятся пол (мужской и
женский), окраска шерстного покрова (альбинизм,
пигментированность, пятнистость и др.), тип шерстного покрова
(грубая, тонкая шерсть овец, смушки), рогатость, тип телосложения
(конституция грубая, крепкая, рыхлая, нежная и др.).
Многие качественные признаки имеют только два возможных
альтернативных (взаимоисключающих) состояния, например: пол
мужской или женский; альбинизм — пигментированность; здоровые
— больные животные. Некоторые качественные признаки могут
иметь 3—4 состояния (тип движения лошади, тип телосложения).
Различия в состоянии качественного признака позволяют разделять
животных на группы, несходные по его выраженности. Отдельные
качественные признаки могут иметь количественные показатели.
Например, степень пигментации шерсти, упитанности животных
можно оценить в баллах.
Количественные, или мерные, признаки отличаются тем, что они
могут быть измерены (в килограммах, сантиметрах, процентах и т. п.).
К количественным признакам относятся удой, содержание жира и
белка в молоке, живая масса и др. Переход от одного количественного
уровня признака к другому составляет непрерывный ряд величин.
Основная задача биометрического (математического) изучения
количественных и качественных признаков заключается в получении
комплекса параметров и коэффициентов, характеризующих членов
изучаемой группы по одному или нескольким признакам. В биометрии
такой массовый материал называется генеральной
совокупностью, которая и составляет цель изучения. Примером
генеральной совокупности, в частности, служит численность
животных, которую изучают путем проведения всесоюзной переписи
через определенное число лет.
Изучение генеральной совокупности при большой численности
животных — сложное и дорогостоящее мероприятие, поэтому
применяют так называемый метод выборочного
обследования,который позволяет оценить генеральную совокупность
путем отбора меньшей численности обследованных животных. Но при
этом выборочная совокупность должна правильно отражать качества
и особенности животных, составляющих генеральную совокупность.
Такое условие обеспечивается отбором части животных из
генеральной совокупности по принципу случайной выборки. Метод
случайного отбора членов выборки называется рендоминизацией. Она
дает равную возможность любому члену генеральной совокупности
войти в состав рендоминизированной выборки. Например, если
требуется дать характеристику стада, включающего 100 коров, то
делают случайную выборку, численность членов которой (объем)
определяют по специальным формулам.
Для ряда признаков изучение их варьирования у всех особей
генеральной совокупности невозможно еще и потому, что это может
привести к уничтожению такой совокупности. В этих случаях
выборочная совокупность (или выборочная проба) — единственный
способ, позволяющий изучить тот или иной признак. Примерами
выборочных проб являются средние пробы молока, взятые для
определения содержания жира и белка, пробы крови— для
гематологического анализа, зерна — для оценки его всхожести и др.
Источники статистической информации и форма упорядочения
собранных данных. Наиболее обширным источником информации,
характеризующим массивы сельскохозяйственных животных,
являются систематические записи, которые ведут специалисты
хозяйств. Учету подвергается комплекс показателей и признаков,
которые по установленной системе записывают в журналах,
ведомостях, племенных карточках. Из этих, так называемых
первичных зоотехнических и ветеринарных записей складывается
определенное количество информации о каждом животном от
рождения до выбытия (убой, гибель, продажа). В нашей стране
утверждены формы и сроки учета всего комплекса сведений.
Первичные документы составляют основной поток информации,
которая накапливается как в хозяйстве, так и на счетновычислительных станциях, где образуется банк сведений по данному
хозяйству, району, области и республике. Полученные данные
подвергают статистическому анализу и используют при
планировании долгосрочных программ развития животноводческой
отрасли.
Другим источником информации служат научно-производственные
опыты, проводимые на ограниченном числе животных, специальные
эксперименты в условиях лабораторного содержания животных и
изучение их биологических показателей. В этом случае информацию о
проводимых экспериментах разного типа вносят в протокольные
книги, дневники, ведомости или другие специальные бланки.
Первичным материалом могут служить фотографии животных,
микрофотографии (клеток тканей, карио-
типов, мазков крови, семенной жидкости, срезов различных тканей и
т. п.).
Третьим источником информации служат данные, получаемые в
экспедициях ери обследовании больших массивов домашних или
диких животных с точки зрения экологии, этология или по другому
поводу.
Полученные данные производственного учета или специальных
опытов и материалы экспедиций должны быть систематизированы и
сгруппированы таким образом, чтобы можно было подвергнуть их
биометрической обработке и анализу ручным или машинным
методом.
Наиболее простую форму группировки используют для качественных
и особенно альтернативных признаков. Для этого членов выборки
распределяют на две или три-четыре группы (градации) и проводят
сопоставление численности особей между градациями.
Если у членов совокупности изучают количественный признак, то
оформление выборки при ручной обработке и элементарном наборе
счетных машин проводят в виде вариационного ряда, состоящего из
градаций (классов i), варьирующего признака (xi) и строчки с
распределением членов совокупности по соответствующим градациям
с учетом величины признака, которые образуют
частоты (р) вариационного ряда.
Если ставится цель выявить величину связи между варьирующими
признаками, то упорядочение и группировку членов выборки
осуществляют в виде так называемой корреляционнойрешетки, как
между качественными, так и между количественными признаками.
При обработке выборки с применением ЭВМ вариационные ряды и
корреляционные решетки не составляют, а распечатывают в строчку
на специальной бумаге учтенные данные по каждому члену выборки и
затем обрабатывают их по специальной программе для получения
нужных статистических параметров, характеризующих выборочную
группу.
Основные статистические параметры. Курс «Вариационной статистики»
знакомит с основными статистическими параметрами, поэтому
перечислим их значение и использование при обработке генетических
и селекционных признаков, которые необходимы для
фенотипической и генетической оценки животных.
Средние величины. Основными статистическими параметрами,
характеризующими средний уровень варьирующего признака в
генеральной (или выборочной) совокупности, служат величины
средних значений признака, которые обозначают буквами латинского
алфавита: средняя арифметическая ( ), средняя геометрическая (G),
средняя квадратическая (S), средняя гармоническая (H),
мода (Мо), медиана (Ме).
Перечисленные параметры являются показателями среднего уровня
признака, варьирующего в пределах от минимального (Xmin) до
максимального (хтах) значения. В зависимости от поставленной задачи
применяют тот или иной статистический параметр. Для
характеристики количественных признаков чаще всего используют
среднюю арифметическую ( ). Если надо определить признак,
характеризующий площадь круга или объем шара (диаметр или
площадь эритроцитов, объем жирового шарика, объем клеточного
ядра), то пользуются средней квадратичеокой (S). В случае
определения среднего прироста численности стада или прироста
живой массы животного по периодам онтогенеза вычисляют среднюю
геометрическую (G). При установлении средней скорости бега лошади,
скорости молоко-отдачи, то есть когда увеличение признака,
(скорости) выражается обратной величиной затраченного времени,
вычисляют среднюю гармоническую (H).
Показатели изменчивости (вариабельности) признака. При изучении
вариабельности признака особей данной совокупности применяют
следующие параметры: лимит (iim= = Xmах — Xmin), среднее
квадратическое отклонение (σ), коэффициент вариации (Сv, %),
вариансу (σ 2), нормированное отклонение (t).
Наиболее простой показатель варьирования признака — величина
лимита, то есть абсолютная разность между максимальной и
минимальной величинами признака. Чем больше величина лимита,
тем значительнее варьирование признака. Основным критерием
изменчивости является среднеквадратическое отклонение (σ),
которое показывает, насколько в среднем отклоняется по изучаемому
признаку каждый член совокупности от средней арифметической
этой совокупности.
Величина σ всегда именованная (кг, см, % и т. п.). Если же требуется
сравнить степень изменчивости разноименных признаков, то
вычисляют коэффициент вариации Cv, который представляет собой
отношение величины σ к среднеарифметической , выраженное в
процентах:
Величины изменчивости признака σ и σ 2 имеют важное значение в
генетическом анализе популяций, а также в селекции животных.
Высокая изменчивость признака создает более благоприятные
условия для селекции, повышая ее эффективность.
Для характеристики отдельно взятой особи пользуются показателем
нормированного отклонения t. Для этого определяют отклонение
величины признака данной особи (х) от среднеарифметической
обследованной группы ( ). При этом получают разность (х— ) и делят
ее на величину о, то есть признак данной особи выражается в долях
сигмы: t = (х— ) • σ.
Показателю связи между признаками. Биометрия дает возможность
изучить связь между варьирующими признаками, определить ее
величину и направление. Коэффициенты, позволяющие сделать
анализ связей, имеют практическое значение. Например, важно
установить, велика ли связь между величиной удоя и содержанием
жира в молоке коров, как изменяется уровень жирномолочности при
увеличении удоя; какова связь между настригом, тониной и густотой
шерсти овец; какова связь между пигментацией лисиц и их
плодовитостью и т. д.
Показателями связи служат коэффициенты корреляции (r),
коэффициенты регрессии (b) и др. Корреляции следует отличать от
так называемых функциональных связей, характеризующих
физические, химические процессы или математические показатели,
когда при изменении одного показателя на определенную величину
другой показатель также изменяется на определенную величину.
Коррелятивные связи отличаются тем, что при изменении одного
признака другой признак, связанный с ним, может иметь
варьирующие величины у особей данной совокупности. Так,
повышение питательности рациона группы коров на 1 корм. ед. у
одних особей увеличивает удой, а у некоторых особей удои могут
уменьшиться.
Практическое значение корреляций при изучении наследственности
животных велико. Коэффициенты корреляции позволяют определить
долю влияния наследственности отца и матери на генотип и фенотип
потомства. Эти коэффициенты используют для прогнозирования
продуктивности данного животного или всего стада, породы. При
выявлении корреляции между признаками можно проводить
косвенную селекцию, так как, отбирая особей по одному какому-либо
желательному признаку, косвенно осуществляют отбор то другому
ценному признаку, связанному с основным.
Дисперсионный анализ. Разработанный Р Фишером дисперсионный
анализ позволяет установить силу влияния разнообразных факторов
на варьирование изучаемого признака. Изменение признака особей
данной совокупности возникает под действием многих факторов;
одни из них могут снижать, а другие повышать его уровень. При этом
индивидуумы, составляющие совокупность, неодинаково реагируют
на весь комплекс внешних условий. Разная степень влияния и
неодинаковая реакция животных на внешние факторы вызывают
варьирование любого признака, что приводит к формированию так
называемой фенотипической изменчивости.
Проводя дисперсионный анализ, можно определить, какая доля
фенотипической, то есть общей, изменчивости обусловлена
наследственностью и какова доля влияния внешних факторов. Иначе
говоря, дисперсионный анализ дает возможность расчленить
фенотипическую изменчивость на составляющие ее частные и
отделить долю влияния генетических факторов от паратипических.
Чем выше генетическая доля влияния на фенотип, тем эффективнее
будет селекция животных.
Статистические ошибки. Выборочная совокупность является частью
генеральной совокупности, поэтому полученные выборочные
статистические параметры ( , σ, r и др.) могут несколько отличаться
от тех их величин, которые присущи им в генеральной совокупности.
Такое расхождение определяют с помощью статистических ошибок.
Для устранения расхождений между параметрами генеральной и
выборочной совокупностей вводят поправки на эти параметры в виде
так называемых статистических ошибок (m): m , mσ, тr, mD и т.п. Зная
величину статистической ошибки, устанавливают, правильно ли
величина параметра выборочной совокупности отражает величину
такого же параметра генеральной совокупности, то есть определяют
статистическую достоверность, или критерии достоверности
выборочных параметров (t).
Обработка массовых материалов с помощью биометрии позволяет
правильнее оценить и охарактеризовать генеральную совокупность
животных по изучаемым показателям на основе выборочной
совокупности.
Методы вычисления биометрических параметров. Перечисленные
выше биометрические параметры позволяют решать некоторые
генетические, а также практические задачи животноводства.
Вычисление средних величин. В зависимости от задачи из группы
средних выбирают ту, которая правильно отражает среднюю
величину варьирующего признака в группе особей, составляющих
выборочную или генеральную совокупность.
Средняя арифметическая. Может быть, простой ( ) и взвешенной (
взв). Для получения средней арифметической суммируют показатели
признака x всех членов совокупности, а полученную сумму делят на
число членов (п). Формула имеет следующий вид:
где xi —значение варьирующего признака у каждого члена
совокупности (варианты); п — общее число членов совокупности
(объем выборки).
Если для обработки материала используют вариационный ряд с
распределением членов совокупности по классам варьирующего
признака, что обозначается частотами (р), то формула средней
несколько усложняется:
. Эта формула пригодна и для
вычисления взвешенной средней арифметической ( взв). Средняя
арифметическая, как и все средние, может иметь абстрактную, а также
дробную величину.
Взвешенную среднюю в зоотехнии используют часто. Например,
определяют средний процент жира за лактацию, при этом удои за
месяц
умножают на процентное содержание жира в молоке за
месяц
После этого проводят суммирование
, а полученную
сумму делят на число учтенных месяцев. Взвешенная средняя должна
применяться и для получения среднего показателя признака по
нескольким стадам, линиям, потомству производителя и т. д.
Пример. Необходимо вычислить средний удой и жирность молока по
данным трех хозяйств, если известно, что в первом хозяйстве ПО
коров, во втором—100, в третьем — 90 коров; удой на корову в
среднем соответственно 3500; 4800 кг; 4100 кг; жирность молока 4,0;
3,8 и 3,6%. Средний удой i вычисляем следующим образом:
Для использования указанной формулы проводят ее логарифмирование и получают выражение lg G= (lg x1+lg x2+ . ... +lgxn): п.
Зная lg G, no логарифмическим таблицам находят соответствующую
ему величину G.
Вычисление средней геометрической необходимо при планировании
интенсивности привеса у животных, прироста поголовья или
продуктивности по годам, то есть при определении темпа изменения
признака.
Средняя геометрическая наиболее правильно отражает
фенотипический средний уровень признака, особенно если распределение членов выборки проявляет отклонение от нормального,
например при асимметричном распределении, то есть когда частоты
(рi) смещены в крайние классы ряда.
Средняя квадратическая. Для определения средней квадратической
применяют формулу:
где хi — величина варьирующего признака, п — число наблюдений
Средняя квадратическая применима при вычислении площади, длины
окружности или объема шара (величина эритроцита, жирового
шарика, ядра клетки).
Средняя гармоническая. Для ее определения используют следующую
формулу:
Пример. Необходимо определить средний диаметр пяти зигот до
начала их дробления, если известен диаметр каждого из них (мкм) 60;
70; 58; 65; 75. Используя приведенную выше формулу, вычислим:
где x1, х2 и т. д.— варианты признака; n — число периодов (отрезков
времени).
Средняя гармоническая применима при вычислении среднего уровня
признака, характеризующего скорость какого-либо процесса (средняя
скорость бега, скорость молокоотдачи при доении), а также в случае,
если признак выражен индексом (число шерстинок на 1
мм2 поверхности кожи)
Величина H всегда меньше величины
Пример. Необходимо определить среднюю скорость молокоотдачи у
коровы, если за 3 мин выдоено 6 кг молока, в том числе за первую минуту — 2 яг, за вторую — 3 кг, за третью — 1 кг
Используем указанную формулу
Если же вычислить простую среднюю арифметическую, то скорость
молокоотдачи составит:
то есть полученная величина недостоверна.
Мода и медиана. Дополнительными характеристиками среднего
значения варьирующего признака служат мода (Мо) и медиана (Me). Мода показывает, какая величина варианта (хМо) данного
признака чаще всего встречается в совокупности. Медиана указывает
на то, какой вариант расположен в середине (центре) вариационного
ряда; этот вариант делит совокупность на две равные части: с
уменьшающимися и увеличивающимися значениями х от медианы.
Использование моды и медианы особенно удобно для сопоставления
совокупностей по качественным признакам. Например, модальной
мастью для скота холмогорской породы будет черно-пестрая;
модальное число сосков у коров — четыре, у свиней — 10 и т. д.
Между шестью рассмотренными параметрами средних величин
существует определенное соотношение» а именно:
Следовательно, величина средней квадратической S всегда больше, а
величина средней гармонической H всегда меньше любой другой
средней. В нормальном распределении величины ,Mo, Me совпадают.
Неправильно выбранный параметр искажает истинную среднюю
величину признака.
Вычисление степени изменчивости признаков. Наиболее простой
способ установления изменчивости признака в совокупности —
определение минимальной (xmin) и максимальной (xmax) величин
вариантов, то есть определение лимита. Чем больше абсолютная
разность между xmax и xmin, тем более значительна изменчивость
признака.
Среднее квадратическое отклонение. Основным показателем
изменчивости служит величина а. Формула ее имеет следующий вид:
Наличие в формуле квадратного корня со знаками «+» и «—»
указывает на то, что величина этого параметра характеризует
изменчивость признака особей совокупности относительно средней
арифметической, то есть варьирование в любой совокупности
выражается отклонением вариант в сторону «+» или «—» от . Под
корнем в знаменателе ставят n или число степеней свободы (v=n - 1),
что дает так называемую несмещенную величину σ.
Среднее квадратическое отклонение не только характеризует
изменчивость, но и выявляет особенности варьирования признака у
особей совокупности. Например, может быть такая ситуация, когда
две сопоставляемые совокупности имеют одинаковые
величины xmax, xmin и , но по особенностям варьирование и величине σ
различаются.
Варьирование признака членов совокупности может быть
нормальным, асимметричным, эксцессивным, биномиальным,
пуассоновым, трансгрессивным. Наиболее распространено нормальное варьирование.
Установлено, что в выборках, которые характеризуются нормальным
распределением, весь размах изменчивости ограничивается
значениями от xmin= —Зσ до xmax = +3σ от средней арифметической, то
есть весь лимит включает 6σ. В границах х±3σ сосредоточено 99,7%
всех членов совокупности и только 0,3% членов совокупности
выходят по величине признака за пределы —Зσ и +3σ.
Закономерности нормального распределения выражаются тремя
функциями. Так, если σ удоев равна 500 кг, а = 3000 кг, то
минимальный удой (xmin) у корой в такой совокупности, вероятнее
всего, будет равен —3σ=3000—3·500=1500 кг, а максимальный (xmax)
= х+3 σ = 3000+3·500=4500 кг.
Коэффициент вариации. Кроме лимита и а, являющихся основными
показателями изменчивости, используют и Коэффициент вариации
(Сv), который выражает степень изменчивости признака в процентах
от величины средней арифметической. Формула коэффициента
вариаций следующая:
Еслн число членов выборочной совокупности более 30 (п>30), а
возможность применения счетно-вычислительной Техники
ограничена, то дли определения средних величин ( ), показателей
изменчивости (σ и Сv }) применяют метод упорядочения данных. Для
этого составляют так называемые вариационны ряды, где величину
варьирующего признака (хi) оформляют в виде классов с переходом от
меньшей к большей величине признака, а членов совокупности
распределяют по классам и выявляют частоты рi (табл. 5).
Обработку вариационных рядов осуществляют разными способами. В
данном примере Использован метод произведений. Для вычисления
средней арифметической умножают величину класса (х) на
соответствующую ему величину частоты (p), при этом получают ряд
значений ;
позволяет определить среднюю арифметическую
плодовитость лисиц;
Для вычисления σ выражают порядковым числом (1, 2, 3...)
отклонение каждого класса oт класса, взятого за нулевой (класс
условной средней Ах). В качестве нулевого принят класс с наибольшей
величиной p, расположенный в центре ряда. В табл. 5 этому условию
соответствует величина x0 = 5 голов.
От этого класса в сторону, как увеличения, так и уменьшения
признака записывают условное порядковое отклонение (—2; —1; 0;
+1; +2). В четвертой строке табл. 5 записывают число отклонений для
данного класса (р·а), в пятой строке — квадрат отклонения (а2). В
шестой строке записывают результаты умножения (р·а2). Полученные
данные позволяют вычислить, а по следующей формуле:
Коэффициент вариации вычисляют по формуле
Сv=(σ: ) X100= (1,125: 4,97). 100=22,6%.
Следовательно, в данном примере среднее квадратическое
отклонение по плодовитости лисиц составит 1,125 головы при
степени изменчивости признака 22,6%.
Варианса. Для анализа изменчивости признака важное значение
имеет так называемая варианса, которую получают возведением
среднего квадратического отклонения в квадрат. Показатель
вариансы (σ2) используют в генетическом анализе, когда требуется
разложить фенотипическую изменчивость на составляющие ее части:
изменчивость, обусловленную разнообразием генотипов особей
совокупности, и изменчивость, обусловленную влиянием различных
факторов среды. Соотношение варианс фенотипической (σф2),
генотипической (σг2) и паратипической (σn2) можно записать так: σф2=
σг2 + σn2.
Нормированное отклонение. В изложенном выше речь шла о
характеристике всех членов совокупности по показателю изменчивости признака, но можно выявить и особенности различных
признаков отдельно взятого члена совокупности, используя в
качестве критерия нормированное отклонение (t). Для этого величину
признака данной особи определяют как отклонение от средней
арифметической, а полученное отклонение (xi— ) делят на величину
а, то есть t= (xi —х) : σ. В результате получают относительную оценку
признака в долях σ. Данным способом можно сопоставлять разные
признаки одной или разных особей.
Например, среднегодовая продуктивность в стаде — 5500 кг, средняя
жирность молока — 3,6%, средние квадратические отклонения удоя и
жирномолочности (σy и σх) соответственно 600 кг и 0,1%. Для
сопоставления отобраны две коровы с рекордной продуктивностью:
№ 1—6500 кг; 3,8% жира и № 2—7000 кг; 3,5% жира. Следовательно, в
первом случае:
Сопоставление животных показало, что они заметно различались по
отклонению от средних по продуктивности, особенно по содержанию
жира в молоке.
Определение величины и направления связей между признаками.
Основным биометрическим показателем, позволяющим определять
величину и направление связи между признаками,
служит коэффициент корреляции (r). Он показывает величину связи
между двумя, тремя и большим числом признаков. Величина этого
коэффициента принимает дробное выражение в пределах от 0 до ±1.
Чем ближе показатель к единице, тем больше связь между
коррелирующими признаками. Наличие знака «+» означает, что
между признаками существует положительная корреляция, когда при
увеличении одного признака у особей совокупности другой признак
также возрастает или при уменьшении одного признака другой также
снижается. Следовательно, изменение признаков происходит в одном
направлении. Если же коэффициент корреляции имеет знак «—», то
это указывает на наличие между
признаками отрицательной (обратной),разнонаправленной
связи, при которой увеличение одного признака сопровождается
уменьшением другого.
Упорядочение первичных данных для вычисления r осуществляют с
помощью корреляционной решетки (рис. 53), в которой верхнюю
строчку и левую боковую графу заполняют классами коррелируемых
признаков (х и у). В клетки, образуемые пересечением граф и строк,
разносят данные о членах совокупности с учетом обоих признаков; в
результате выявляются частоты (р) в каждой клетке. В зависимости от
степени и направления корреляции распределение частот в клетках
корреляционной решетки может быть различным.
Если корреляция между признаками положительная и большая, то
наблюдается накопление частот по диагонали из верхнего левого к
нижнему правому углу решетки (см. рис. 53, а). При отрицательной
корреляции частоты распределяются по противоположной диагонали
(см. рис. 53, б). Если корреляция между признаками незначительна, то
частоты распределяются по большей части клеток (см. рис. 53, в). В тех
случаях, когда корреляция между признаками криволинейна, частоты
распределяются так, как показано на рис. 53, г. При криволинейном
типе корреляции один из признаков увеличивается, а другой, связанный с ним, сначала возрастает (или уменьшается), затем снижается
(или повышается).
При криволинейной связи коэффициент корреляции не может
отразить ее наличие; он или уменьшает ее величину, или вовсе не
обнаруживает. Например, если графически выразить зависимость
между возрастом коров и их удоями за лактацию, то изменение удоя
выразится кривой (рис. 54), которая показывает, что до
определенного возраста удои увеличиваются, а затем уменьшаются. В
первой части кривой связь между удоем и возрастом большая и
положительная, во второй части кривой связь отрицательная.
Следовательно, коэффициент корреляции будет близок к нулю, связь
как бы отсутствует, а в действительности она имеется (и даже
значительная), но не улавливается этим статистическим
коэффициентом, так как +r и —r «гасят» друг друга.
Связь признака с возрастом обычно имеет криволинейный характер, и
поэтому пользоваться коэффициентом корреляции в этих случаях
нецелесообразно, так как r будет близок к нулю или приуменьшит
истинную связь между возрастом и варьирующим признаком.
В основе формул, позволяющих вычислить величину коэффициента
корреляции, лежат следующие показатели
признаков х и
С помощью этих величин
можно определить r для малых выборок, а при использовании счетновычислительных машин — и для больших выборок. Техника
вычислений сводится к составлению рядов из величин x; y; х·у; х2 ;у2 и
их суммирования по графам.
Рабочие формулы для определения r могут быть различными, поэтому
выбирают наиболее удобные с учетом абсолютной величины
коррелируемых признаков. В основную формулу коэффициента
корреляции введены показатели нормированного от клонения
признака каждого члена совокупности от средней арифметической:
В данном случае σх и σу вычисляют без умножения на классовый
промежуток.
Для малых выборок удобнее пользоваться формулой
Если требуется определить коэффициент корреляции на большой
выборке с применением корреляционной решетки, то пользуются
следующей формулой:
где р — частоты по клеткам решетки, σх и σу средние квадрат ические
отклонения для каждого коррелируемого признака, выраженные в
относительных, а не в именованных величинах; п — объем выборки,
величины bх и by — поправки для каждого ряда
ах и ау — условные отклонения от нулевого класса, у которого
отмечено наибольшее число частот. Этот класс расположен близко
или совпадает с классом, занимающим центральное положение.
В качестве примера рассмотрим определение корреляции между
скоростью молокоотдачн (кг/мин) и суточным удоем у коров чернопестрой породы. Обследовано 100 коров, данные о которых
распределили следующим образом (табл. 6).
По горизонтали расположен вариационный ряд суточного удоя (у), по
вертикали — ряд скорости молокоотдачи (x). Выделены классы
условной средней Ау=20—24 кг и Ax = 1,5—1,59 кг/мин, заполнен ряд
условных отклонений ах и аy. На эти величины умножают
соответствующие частоты ряда и получают значения рх-ах и pyay. Затем, умножая рхах на отклонение ах, получают ряд рха2х; соответственно
Из этого следует:
Затем определяют величину
Для этого в углах (квадрантах),
отграниченных «крестом» нулевых классов, умножают
частоту (р) каждой клетки на соответствующее значение ах и ау:
При вычислении I и IV квадранты всегда дают положительные, а II и III
— отрицательные величины
Подставив полученные
величины в формулу, определяют r:
Следовательно, связь между удоем и скоростью молокоотдачн
положительная.
Коэффициент регрессии (b) показывает, насколько изменяется
признак у, если х изменяется на определенную величину.
Коэффициент регрессии — величина именованная. Он может иметь
два значения, то есть показывать изменение признака х по у и,
наоборот, у по х. Коэффициент регрессии при прямолинейном типе
связи рассчитывают с применением величин r;
Регрессия между признаками может быть выражена в виде
эмпирического и теоретического рядов регрессии, в виде графика, а
также через уравнения регрессии.
Например, изменение скорости молокоотдачи (х) при изменении
суточного удоя (у) составляет эмпирический ряд регрессии х по у,
который выразится следующим образом (см. табл. 6). Для получения
эмпирического ряда х по у умножают частоты каждой клетки решетки
по классу у на середину класса по х, суммируют эти данные и делят на
все частоты класса
у, то есть
. Так, для класса с удоем 10—14 кг получают следующее
среднее значение скорости молокоотдачн:
Аналогичный расчет делают для остальных трех классов:
Регрессию скорости молокоотдачи можно представить таким образом:
Уравнение регрессии при прямолинейном типе связи выражается
формулой x=bу+a или у=bх+а. Изменение х по у определяется
уравнением х=bу+а, где х — искомая зависимая функция (зависимый
признак); у — аргумент (независимый признак); b — коэффициент
связи между х и у; а — исходный уровень зависимого признака, если
y=0.
Уравнение может иметь следующий вид;
где
—средняя арифметическая зависимого признака,
соответствующая значению a; bxv соответствует значению
уравнении.
в
Если зависимым признаком будет у, а независимым х, то в уравнении
произойдет замена мест между значениями признаков:
Пользуясь уравнениями регрессий, можно составить теоретический
ряд значений и построить график для х при изменении у или у по
х (рис. 55).
Коэффициент корреляции между альтернативными
признаками rа (не только количественными, но и качественными)
особенно удобен при анализе генетических данных. Для его
определения первичные данные по каждому члену выборки
размещают в четырехклеточной корреляционной решетке. Формула
для определения ta выглядит так:
где p1, p2, p3, p4 — частоты, распределившиеся в четырех клетках
альтернативных признаков корреляционной решетки.
Величина rа может находиться в пределах от —1 до +1.
Например, при проведении экспериментального скрещивания кур
нескольких пород требовалось определить по соотношению окраски
пуха у цыплят, происходило ли сцепленное с полом наследование
«сигнальной» окраски.
В опыте было получено 100 помесных цыплят, которые
распределились в клетках корреляционной решетки следующим
образом (табл. 7). Величину rа вычисляют по формуле
Следовательно, связь окраски пуха цыплят с половой
принадлежностью очень высокая, что позволяет получить в опыте
аутосексную группу птицы.
Полихорический коэффициент связи. В практике селекционной
работы и при анализе генетических данных иногда необходимо
установить связь между качественными признаками, которые
оценивают «на глаз», грубо, но зоотехнически вполне допустимо.
Например, связь между конституцией животных и степенью
упитанности, конституцией и формой завитка смушка овец или связь
признаков потомства с признаками родителей и т. п. В таких случаях
связь устанавливают с помощью полихорического коэффициента
связи ρ, который высчитывают по формуле
Здесь i1 и i2 — число классов по каждому признаку; p1,2 - частоты в
клетках корреляционной решетки; р1 и р2 — частоты вариационного
ряда каждого из признаков; n — число членов в выборке.
Формула удобна тем, что при использовании ее нет необходимости
вычислять σ1 и σ2, что значительно упрощает расчеты. Величина ρ
колеблется от 0 до 1, но этот коэффициент не выявляет направления
корреляции, а только указывает на ее величину, поэтому он всегда
имеет положительный знак. Полихорический коэффициент
применяется и в тех случаях, когда один признак имеет несколько
градаций.
Пример. Требуется определить величину связи между типом конституции коров-матерей и их дочерей. Обследовано 50 пар (мать —
дочь). Пары распределены по клеткам корреляционной решетки
(табл. 8).
Каждую частоту в клетке решетки обозначают p1.2, возводят это число
в квадрат (p1.2)2 и затем делят на значение частот, размещенных в
строчке р2. Проведенная обработка дает для каждой клетки
выражение (р1.2)2: p2.
Полученную величину суммируют, получая
в
и записывают сумму
графу, идущую после графы с частотами вариационного ряда р1.
Проведя вычисления по формуле
2,23. Подставляют данные в формулу a1:
получают итоговое число
Используя величину a1, находят полихорический коэффициент
Для данного примера на основании величины ρ можно сделать вывод,
что тип конституции дочерей коррелирует с типом конституции
матерей, а полихорический коэффициент равен 0,35, то есть
наследственно обусловлен и может быть выражен коэффициентом
наследуемости h2—2r, В нашем примере h2 =2 ·0,35 = 0,70 выявляет
наследственную обусловленность конституции потомства.
Ранговый коэффициент связи по Спирмену (rs). При обработке
первичных материалов могут встретиться признаки, которые нельзя
измерить ни точно, ни грубо, поэтому их выражают порядковым
местом (рангом). Например, определяют ранга быков-производителей
по удою (х) их дочерей и сопоставляют данные с рангами их дочерей
по показателю живой массы (у). Ранговый коэффициент корреляции
выражают следующей формулой:
где n —число сопоставляемых пар рангов; D — разность между парами
рангов признака х с рангами признака у, Величина ra изменяется от —
1 до
Пример. Необходимо определить, имеется ли связь между
ростом (х) рысистых лошадей и скоростью их бега (у) на дистанцию
1600 м. Сравнивают ранги пяти лошадей по этим двум признакам.
то есть связь между ростом и скоростью бега лошади на дистанцию
большая и обратная: у лошадей более высокого роста в среднем
скорость бега выше, чем у лошадей низкого роста.
Криволинейные связи, корреляционное соотношение. Кроме
прямолинейных или близких к ним связей, для определения которых
можно применять перечисленные коэффициенты, существует
многообразие связей криволинейного типа. С целью их установления
используют другие формулы и коэффициенты. Многие признаки
сельскохозяйственных животных проявляют криволинейную связь с
возрастом. Изменение живой массы животного от рождения до
наступления половой зрелости выражается так
называемой логистической кривой. У насекомых наблюдаются
периодические вспышки усиления и затухания в размножении, что
можно выразить периодической синусоидной кривой.
При наличии криволинейного типа связи между признаками, как
правило, используют показатель корреляционного соотношения который позволяет определить величину связи, но не выявляет
направления ее, то есть этот коэффициент всегда положительный. Его
величина изменяется от 0 до + 1. Корреляционное соотношение можно
применять для измерения как криволинейных, так и прямолинейных
связей.
При криволинейном типе связи величина всегда будет больше
величины r, вычисленной на том же материале. Если же связь
прямолинейна, то = r. Корреляционное соотношение имеет два
значения: у по х и х по у, следовательно, оно выявляет неравенство
связей, так как
В общем, виде формула корреляционного соотношения включает
показатели групповых (частных) средних квадратических и общих
средних квадратических отклонений:
Для вычисления корреляционного соотношения по вариационным
рядам, оформленным с распределением признаков на варьирующие
классы (то есть при взвешенных рядах), пользуются следующей
формулой:
где
— среднее арифметическое признака у;—
величины
средние
признака у по классам признака х. Здесь зависимой функцией является
признак у, а независимым аргументом — признак х,
Для определения ух составляют корреляционную решетку и
определяют эмпирические величины регрессии признака у в
зависимости от признака х.
Пример. Определение влияния возраста (х) свиноматок на их плодовитость (у). Возраст выражен числом опоросов. В выборку вошло 75
опоросов (п), полученных от 50 свиноматок, и учтено для каждого
опороса число родившихся поросят. Вначале необходимо составить
корреляционную таблицу зависимости у от х (табл. 9).
Вычисляют эмпирические величины регрессии изменения признака
плодовитости (у) от изменения возраста (х). Для этого умножают
частоты клеток решетки (рух) на соответствующую величину признака
у каждого класса, то есть по столбцам, и для каждого столбца
записывают получаемую сумму от умножения рух-у и делят на
число pxi:
1-й столбец: (6·8+4·11) : (6+4) - (48+44) : 10=92: 10=9,2; 2-й столбец:
(3·8+6·11 + 1·14) : 10=10,4 и т. д.
Полученный ряд изменений у по х демонстрирует эмпирический ряд
регрессии, из которого видно, что с 3-го опороса по 6-й наблюдается
повышение плодовитости свиноматок, а с 7-го — снижение.
Определяют среднюю плодовитость свиноматок по всем возрастным
группам, то есть уобщ. Для этого перемножают частоты ряда у(ру)по
каждому классу на середину класса. Суммируют данные по всем
четырем классам признака плодовитости и, деля сумму на общее
число обследованных опоросов (n=75), получают среднюю
плодовитость по всему корреляционному комплексу. Эти данные
введены в табл. 10. Средняя плодовитость
Далее обработка данных сопровождается получением суммы
квадратов отклонения для показателей y от общей средней и
умножения на частоты ряда у, то есть
и вычисление суммы
квадратов отклонений
частных средних
от общей средней, умноженных на частоты для
эмпирического ряда регрессии, то есть на рх, в соответствии с
выражением
Эти промежуточные расчеты приведены в
табл. 11 и 12.
Далее определяют
где
— средняя плодовитость по
столбцам, получена в показателях эмпирической регрессии
9,2;
10,4; 12,4; 12,8; 12,2; 13,0; 11,0; 11,0).
Полученные величины вводят в формулу корреляционного
соотношения при обработке взвешенных рядов:
Полученная величина ηух указывает на большую зависимость
плодовитости от возрастного показателя свиноматок, что следует из
ряда регрессии у по х.
Генетический коэффициент корреляции между признаками. В
практике селекции немаловажное значение имеет определение
связей между признаками, обусловленными наследственностью. В
основе выявления генетической детерминации наследования
признаков лежит генетический анализ, при котором признаки
потомков сравнивают с признаками их родителей. Такой анализ
можно осуществлять в отношении качественных признаков, которые
легко прослеживаются у родителей и потомков данной семьи.
Если же необходимо определить наследование количественных
признаков и их генетическую обусловленность, то для анализа
недостаточно изучения данных в пределах одного семейства, а
потребуется его осуществление на массовом материале с
применением популяционного и математического методов. Для этого
применяют метод определения генетического коэффициента
корреляции (rG) между признаками, разработанный Хейзелем (1943).
Суть метода заключается в том, что на группах родственных животных
(матери — дочери, отцы — сыновья, полусестры) вычисляют четыре
коэффициента корреляции между двумя разными фенотипическими
признаками (х и у) в пределах каждой сопоставляемой родственной
группы и между группами.
Формула Хейзеля для генетического коэффициента связи между
признаками х и у построена на определении фенотипических
коэффициентов корреляции между х и у, учтенных у животных
родственных групп, например у матерей и дочерей. Это означает, что
вычисляют фенотипические коэффициенты корреляции между
признаками х дочерей и матерей, у дочерей и матерей, хдочерей
и у матерей, у дочерей и х матерей. Данные берут из первичного
зоотехнического учета. В результате получения четырех
величин r определяют генетический коэффициент связи между
признаками х н у, используя следующую формулу:
Формулу применяют для тех случаев, когда оба r в числителе имеют
знак «+» или знак «—», но в знаменателе оба должны быть
положительными. Если же под корнем в числителе один из г имеет
знак «—», а другой — знак «+», то формула видоизменяется:
Наличие отрицательной связи между хд и хм или между yд и
уи указывает на сильное взаимодействие генотипа со средой или на
сложный тип наследования (эпистаз, межаллельное взаимодействие),
и, следовательно, по формуле Хейзеля нельзя выявить связь, так как
формула основана на предположении о наличии аддитивного
действия генов коррелирующих признаков.
Пример. Необходимо вычислить генетический коэффициент
корреляции между содержанием жира и белка в молоке коровдочерей и их матерей. Исходные данные для пяти пар «мать — дочь»
приведены в табл. 13.
Методом малой выборки определяют r xдxм, r yдyм, r xдyм, r yдxм,
Способом, указанным на с. 191, определяют фенотипические
коэффициенты корреляции. Из этого следует:
содержание белка (матери — дочери) — r xдxм = 0,65;
содержание жира (дочери — матери) — r yдyм = 0,80;
содержание белка (дочери) — содержание жира (матери)— r xдyм=
0,733;
содержание жира (дочери) — содержание белка (матери) —
r yдxм=0,053.
Подставляя эти данные в формулу, получают
Следовательно, генетическая обусловленность связи между
белковомолочностью и жирномолочностью коров
выражается rG=0,274, поэтому отбор животных по содержанию жира в
молоке будет сопровождаться повышением белковомолочности.
Рассмотренная группа коэффициентов, позволяющих определять
величину и направление связи между признаками, показала, что для
решения ряда вопросов в зависимости от материала могут быть
использованы разные коэффициенты. Их используют для
установления сцепленного типа наследования; они находят
применение и для осуществления косвенной селекции животных на
основе корреляций между различными признаками. Корреляционный
и регрессионный анализ имеет важное значение для планирования и
прогнозирования уровня того или иного признака.
Типы статистических ошибок. При обработке данных, полученных из
зоотехнической документации или из специальных опытов, возможны
три типа ошибок: технические (просчеты, описки); ошибки,
обусловленные неточностью используемого прибора; статистические.
Ошибки, вызванные небрежностью, описками, просчетами, должны
быть исправлены; чтобы не допустить их, следует более тщательно
обрабатывать данные. Ошибки, появляющиеся вследствие неточности
прибора, могут быть также легко устранены. Такие ошибки называют
систематаческими. Они не имеют отношения к биометрии.
Статистические ошибки обусловлены самим статистическим методом,
при котором из генеральной совокупности отбирают часть объектов.
Часть (выборка) не может правильно отражать целое (генеральную
совокупность), поэтому «все выборочные параметры требуют
поправки, то есть учета величины статистической ошибки.
Желательно, чтобы статистическая ошибка была по возможности
меньшей, тогда выборочные параметры более правильно
характеризуют генеральную совокупность. Величина статистической
ошибки зависит от степени изменчивости признака и от числа членов,
вошедших в выборку.
Формулы основных статистических ошибок. В структуру формул
статистических ошибок включают показатель изменчивости признака
и объем выборки. Чем сильнее изменчивость признака, тем больше
статистическая ошибка; чем больше объем выборки, тем меньше
ошибка. Следовательно, для того чтобы уменьшить статистическую
ошибку, необходимо увеличить число членов совокупности.
Существуют методы, позволяющие еще до начала эксперимента или
сбора массового материала определить требуемую численность
выборки (п) для получения статистически достоверных величин
параметра, который «правильно характеризует генеральную
совокупность. В зоотехнической литературе статистическую ошибку
принято обозначать буквой m с подстрочным значком того параметра,
для которого она вычисляется. Формулы статистических ошибок для
основных параметров приведены в табл. 14.
При вычислении ошибки для р и q эти параметры могут быть в виде
абсолютного числа, в долях единицы или в процентах. Для разности
долей D=p1—p2 ошибку вычисляют по формуле
Более точно определять ошибки долей (р и q) и разность долей (p1—
p2) можно методом «фи» (φ), а для коэффициента корреляции
методом «зет» (z).
Использование статистических ошибок для определения критерия
достоверности выборочного параметра и доверительных границ его
варьирования. Определив значения ошибок, вычисляют показатель
критерия достоверности (t) путем деления выборочного параметра на
его ошибку, например:
Эти данные показывают, какова вероятность того, что вычисленный
выборочный параметр достоверно отражает уровень такого же
параметра генеральной совокупности. Если в конкретном
примере t=l,96, а Р = 0,95, то это значит, что из 100 выборок в 95 будет
получено такое же значение параметра, какое получено в данной
выборке, где t=1,96. Величину t0,95=1,96 называют первым порогом
достоверности. Она дает возможность считать данные, полученные в
выборке, достоверными, то есть правильно отражающими параметр
генеральной совокупности. Этот порог считается минимальным для
работ, имеющих поисковый характер, для биологических и
биохимических опытов.
Второй порог достоверности принято брать на уровне Р = 0,99,
когда t = 2,58. Этот показатель используют в том случае, когда
требуется детализация различных явлений и закономерностей,
например для генетических исследований. Третий порог принято
брать на уровне P=0,999, то есть при t=3,3. В этом случае вероятность
правильности выборочного параметра подтверждалась бы в 999
опытах из 1000 и только в одном случае параметры в выборке могли
быть другими по величине. Этот порог достоверности принято
использовать при изучении действия дозировок опасных препаратов
и для заключения о дозах безвредности. Если в конкретном материале
критерий достоверности (t) больше трех или четырех, то это значит,
что достоверность вычисленных параметров высоковероятна.
В литературе иногда выражают показатель вероятности в величинах
значимости Р, которая отмечает уровень риска и ошибочности
вывода. Следовательно, при Р=0,95 величина значимостиР=0,05, что
соответствует значимости риска и ошибочности вывода. При Р=0,99
значимость равна 0,01, при Р=0,999 значимость равна 0,001.
Как уже отмечалось, статистическая ошибка, а следовательно, и
величина t зависят от числа наблюдений (л) в выборке. Это особенно
отражается на так называемых малых выборках (n<30). Для
устранения влияния объема выборки на величину t были разработаны
таблицы значения критерия t при трех уровнях вероятности с учетом
числа наблюдений и числа степеней свободы v. Эти таблицы
составлены Стьюдентом для малых и больших выборок (табл. 15). Под
числом степеней свободы понимают число наблюдений, уменьшенное
на число ограничений: п —1; n— i и т. п. В табл. 15 даны достоверные
величины t при трех порогах вероятности: 0,95; 0,99 и 0,999 — с
учетом числа степеней свободы. Эта таблица пригодна при
определении критерия достоверности для средних арифметических,
достоверности разности, коэффициентов корреляции.
Пример. Если в конкретном материале разность между двумя
средними арифметическими уровнями лизоцима в крови животных
двух сравниваемых групп составила D=x1—x2=20 ед, ошибка разности
равна
mD=
й
ед., число (п1) животных в 1-й группе равно 10, а во 2-
(n2) — 8, согласно расчету достоверность разности составит t=
Число степеней свободы v= (n1 - 1) + (n2— 1) = (10—1)+(8—1)=18—
2=16. Находят по таблице Стьюдента уровень достоверности значения
при v=16. Табличная величина составляет приt0,95=2,1; t0,99=2,0
и t0,999=4,02. Так как полученный в примере уровень t = 4, то разность в
лизоцимной активности крови животных двух сравниваемых групп
высокодостоверна, она соответствует требуемой величине t0,999=4,0, то
есть находится на третьем пороге достоверности (разница
высокодостоверна)
Из табл. 15 следует, что чем больше п и v, тем меньше допускается
величина критерия t, подтверждающая достоверность выборочного
параметра.
Критерий достоверности позволяет определить так называемые
границы доверительного интервала. Он указывает, в каких границах
будет находиться параметр генеральной совокупности при данной
величине статистической ошибки т и уровнях t. Доверительные
границы определяют по формуле
Пример. Если средняя плодовитость ( выб) свиноматок составила 10
голов, а ошибка (тх) равна 0,5 головы, то можно утверждать с вероятностью P=0,95 при t=1,96, что xгенер по показателю плодовитости будет
находиться в интервале от xвыб+1,96• m= 10+1,96•0,5 =10+0,98
=10,98≈11 голов до выб - 1,96•m= 10—1,96•0,5= 10—0,98=9,02≈9 голов.
Если повысить требование к вероятности для определения
возможного интервала нахождения генер до уровня t=3, то возможные
доверительные границы составят отхВыб+3•m=10+3•0,5=11,5 головы
до выб—3•m= 10—3•0,5≈8,5 головы,
Следовательно, с Р=0,95 можно утверждать, что генеральная средняя
плодовитости свиней находится в границах от 9 до 11 голов, а при
повышенном требовании (Р= 0,999) можно с большей вероятностью
считать, что границы доверительного интервала для генеральной
средней составляют от 8,5 до 11,5 головы. Итак, чем выше требования
к уровню вероятности, тем шире интервал, в котором может
находиться изучаемый параметр генеральной совокупности.
Таким образом, любой выборочный статистический параметр должен
оцениваться его статистической ошибкой и критерием достоверности,
взятым на том или ином уровне вероятности. Если параметр имеет
критерий достоверности меньше, чем 1,96 (то есть при Р = 0,95), то он
не может правильно отражать его величину для генеральной
совокупности. Поэтому показатели» полученные из такой обработки,
не могут быть распространены на генеральную совокупность, а
выводы из недостоверных величин параметров не имеют научной и
практической ценности
Определение необходимого объема выборки. Чтобы избежать
получения недостоверных величин, надо еще до опыта или сбора
первичных материалов определить объем выборки. При этом надо
учитывать степень изменчивости изучаемого признака; чем она выше,
тем больше должен быть объем выборки. Для определения объема
выборки пользуются формулой
где п — искомый объем выборки; N — численность генеральной
совокупности,
— допустимое расхождение между
выраженное в долях
выб
и
генер,
σ; Δ — абсолютная допустимая разность, то есть Δ = генер— выб, σ —
среднее квадратическое отклонение, которое можно ориентировочно
определить
по лимиту изменчивости признака
закономерности
, исходя из
что лимит равен x±3о, t —критерий достоверности, который
соответствует взятому уровню вероятности (t0,95 = 2,0, t0,99=2,6, t0,999 =
3,29)
Если генеральная совокупность имеет большую численность (N→∞),
то формула упрощается, то есть искомый объем выборки n=t2:d2.
Пример. Требуется определить объем выборки, который необходим
для достоверности показателя средней плодовитости свиноматок
при t=2. Предположим, что плодовитость в популяции колеблется от 6
до 18 поросят. Тогда σ —(18—6): 6 = 2 головы. Ставят условие, что
выб отличалось от
на Δ =0,5 головы. Тогда
голов.
генер
Отсюда
=
Следовательно, чтобы получить достоверный показатель средней
плодовитости животных, необходимо включить в выборку 64
свиноматки. Большинство признаков и свойств организмов
характеризуются количественным типом индивидуальной
изменчивости, для которой типично непрерывное изменение
величины признака у особей какой-либо группы. Величина
количественного признака варьирует от минимального уровня у части
особей к среднему — у других и далее к максимальному уровню у
остальных. Даже в пределах достаточно однородной по полу, возрасту,
породе группы животных у близкородственных особей наблюдается
индивидуальная изменчивость признака, величину которого можно
измерить. К количественным признакам относят хозяйственно
ценные (живая масса, величина, удой, настриг шерсти) и
физиологические признаки. Они характеризуются типичным
непрерывным изменением уровня у особей конкретной группы. К
количественным признакам относят также и те, которые имеют
прерывистое выражение, например яйценоскость, плодовитость, а
также ряд физиологических отличий.
Количественные признаки непрерывного и прерывистого типов
изменчивости имеют важное значение в практике животноводства и
ветеринарии, в научных исследованиях, поэтому необходимо изучать
генетические особенности и закономерности их изменчивости.
Генетические основы наследования количественных признаков.
Наследование количественных признаков обусловлено одинаковым
или сходным действием многих доминантных неаллельных генов на
признак (полимерия) либо многими однозначными
генами(полигения). На наличие двух или трех пар однозначно
действующих полимерных генов, определяющих степень
выраженности признака, указывает тип расщепления признака у
особей второго поколения. Так, при трех доминантных
генах А1; А2 и А3 и их рецессивных аллелях а1, а2, а3 во II поколении
будут выявлены 64 варианта генотипов в соотношении 1 : 6: 15:20:
15:6: 1.
Если общая возможность развития признака связана с действием
одного гена, то его принято называть главным (менделирующим)
геном (олигогеном) и тогда признак наследуется в соответствии с
законом Менделя. Полигены могут проявлять модифицирующее
влияние на количественные признаки и составлять группу геновмодификаторов, то есть генов, которые, действуя каждый отдельно,
проявляют слабое влияние на изменение в фенотипе, вызванное
действием главного гена. Гены-модификаторы могут оказывать
влияние и при отсутствии главного гена.
Полимерные гены способствуют увеличению изменчивости и
формированию различных подгрупп (экотипов) внутри вида, так как
они обеспечивают многообразные рекомбинации генотипов. Влияние
рекомбинации и отбора в разных условиях среды способствует
образованию несходных экотипов и повышению приспособленности
вида к многообразию факторов внешней среды, формированию
наследственной адаптации.
Гаметическая интеграция неаллельных генов. За последнее десятилетие
расширились представления о наследовании и изменчивости
признаков. Ранее полагали, что особенности потомства обусловлены
свободной перекомбинацией генов как в процессе гаметогенеза, так и
при оплодотворении. Однако многочисленные исследования
показали, что изменчивость потомства, определяемая действием
неаллельных генов, вызывается не только возможностью их
случайной перекомбинации, а обусловлена определенной
комбинацией гамет родителей. Таким образом, создается источник
изменчивости и наследственности потомства за счет комбинаторики
несходных гамет родителей. Несходство гамет по генетическому
материалу может иметь место как среди гамет самца, так и среди
гамет самки. При комбинации несходных гамет родителей возникают
новые межлокусные корреляции, происходит изменение частоты
генов в данном локусе у потомства по сравнению с их частотой у исходных родительских форм. Создается новый тип связи между
генетическими элементами у потомства, который получил название
«гаметическая интеграция».
Гаметическая интеграция способствует формированию устойчивости
разнообразных признаков и свойств, благоприятствующих
повышению приспособленности, так как образуются адаптивные
комплексы генов, которые повышают индивидуальную изменчивость
организмов по степени их приспособленности к условиям среды.
Гаметическая интеграция межлокусных корреляций обусловливает
на фенотипическом уровне взаимодействие между локусэми
неаллельных полигенов. Она может быть выявлена при помощи
статистических параметров (σ, σ2,Cv).
Приспособленность организмов могут характеризовать величины
среднего уровня жизнеспособности особей, их плодовитость,
интенсивность развития всех особей данной группы (популяции).
Если в локусе одной из хромосом гаметы образовалась мутация,
имеющая адаптивное значение, то при передаче ее в последующие
поколения будет повышаться частота распространений мутации и
одновременно на фоне гаметической интеграции будет увеличиваться
частота других генов, входящих в хромосомы этой гаметы. Явление
получило название «попутный транспорт генов».
Обобщение теории роли гаметической интеграции было сделано в
трудах Майра, 1974; Левонтина, 1978; Животовского, 1984; и др.
Методы изучения изменчивости и наследуемости количественных признаков. Фенотипическую изменчивость количественных
признаков определяют с помощью статистических параметров ( ,
σ, Cv), фенотипическую связь между признаками —
применением r, b, rs и др. Для генетического анализа изменчивости
количественных признаков требуется разложить фенотипическую
изменчивость, выраженную через вариансу σр2, на составляющие
вариансы: генотипическую (σg2) и паратипическую (σе2). Это
позволяет установить в группе особей долю изменчивости,
обусловленную их генетическим разнообразием, и долю
изменчивости, связанную с влиянием факторов среды.
Теоретическая работа Фальконера (1985) показала, что
популяционная средняя величина признака характеризует не только
фенотипический его уровень, но и генотипический уровень в ряде
поколений при сохранении факторов среды. Изменение среднего
уровня признака при отборе происходит более эффективно в сторону
его увеличения, чем в сторону уменьшения, что могло быть
результатом действия «сильных» генов и материнского эффекта.
Выяснено, что чем большее число локусов определяет уровень
признака и чем длительнее отбор в ряде поколений, тем более
выражена реакция на отбор.
Возникает вопрос: существуют ли тупики отбора, когда его действие
прекращается? Оказывается, что постоянный процесс мутирования
создает новый источник изменчивости и тупика отбора не возникает.
Для выявления наследуемости признака широко применяют методы
корреляционного и дисперсионного анализа. Тем самым выявляется
доля генетического влияния на признак в фенотипической
изменчивости.
Наследуемость. В генетических исследованиях необходимо различать
три близких, но разных понятия: наследственность, наследование и
наследуемость. Наследственность — это биологическое свойство,
проявляющееся в сходстве родителей и потомков. Наследование — это
способ передачи наследственности родителей потомкам с помощью
гамет и их хромосомного аппарата.
Наследуемость — это статистический термин, который применяют
для обозначения доли общей фенотипической изменчивости,
обусловленной генетическими факторами. Наследуемость
характеризует количественный признак у группы животных и служит
показателем для прогнозирования эффективности селекции по
фенотипическим показателям признака.
Величина коэффициента наследуемости (h2) служит мерой
выражения генетической детерминации изменчивости признака.
Величина Л2 не может быть больше единицы и меньше нуля (то есть
отрицательной). Формула для определения h2 выражена следующим
образом:
Чем больше величина h2, тем больше изменчивость признака
обусловлена генетическими факторами и тем меньше изменчивость,
вызываемая факторами среды (σЕ2). При h2 менее 0,05 (то есть менее
5%) улучшение признака за счет массовой селекции малоэффективно.
При h2>0,3 и не менее 0,7 селекция достаточно эффективна.
Особенности факторов среды и ряд характеристик популяции
(направление отбора в ней, наличие инбридинга, миграции особей,
интенсивность браковки в стаде и т. п.) влияют на величину
коэффициента наследуемости. Большая изменчивость факторов
среды уменьшает h2, а однородность условий увеличивает или
стабилизирует его величину.
Вычисленные коэффициенты наследуемости могут характеризовать
только данную популяцию и в данных условиях среды и отбора.
При рассмотрений величины h2 для разных признаков выявлена
следующая тенденция: признаки, которые связаны с репродукцией и
приспособленностью к процессу размножения, характеризуются
невысоким коэффициентом наследуемости (плодовитость у
свиней: h2 = 5%; яйценоскость у кур — 10%), а признаки, имеющие
меньшее значение для приспособленности, характеризуются более
высоким уровнем h2 (масса животных — 55—65%; толщина шпига у
свиней —70%, молочность и жирномолочность — 35—40 %).
Определение коэффициента наследуемости с
использованием коэффициентов корреляции (r) и регрессии (b). Метод
коэффициентов путей, предложенный С. Райтом, позволяет выявить
величину связи между фенотипической изменчивостью (следствие) и
влиянием генотипа (причина) или среды (причина). Этот метод нашел
применение для определения величины связимежду генотипами
родственных особей.
Для определения доли влияния генотипа на изменчивость признака
используют коэффициенты путей между родственными животными,
например между матерями и дочерьми или между полусибсами,
отцами и сыновьями и т.п. Графическое изображение коэффициентов
путей представлено на рис. 61,
где направление влияния причин указано стрелками. Из схемы
следует, что генотип дочерей определяется генотипом матерей,
величина влияния которого (а) равна 0,5. Остальная
долянаследственности дочерей обусловлена генотипом отцов. Вместе
с тем генотипы матерей оказывают влияние на их фенотипы (на схеме
это обозначено h). Соответственно генотипы дочерей определяют их
фенотип. Связь между фенотипами матерей и Дочерей может быть
определена с помощью обычного коэффициента корреляции rмд. Из
схемы видно, что звенья rмд, h, a, hобразуют замкнутую цепь. В ней
известны два звена:
и rмд, который вычисляют по конкретным данным. Так как
связь между звеньями выражается произведением коэффициентов
путей, то можно записать равенство: 0,5·h·h=rмд,
или 0,5 h2 =rмд, тогда h2 =2rмд. При использовании Коэффициента
регрессии bмд формула примет следующий вид: h2=2bмд. Полученная
формула удвоенного коэффициента корреляций (или регрессии)
между фенотипическими показателями матерей и их дочерей
выражает величину коэффициента наследуемости h2, который
определяет долю генетического влияния на фенотипическую
изменчивость признака,
Если полученный коэффициент наследуемости — величина
отрицательная или больше единицы, то причину этого можно
объяснить следующим образом:
группы животных, подвергнутых дисперсионному анализу,
малочисленны, то есть объем выборки недостаточен;
неоднозначное реагирование на изменений факторов среды
материнских и дочерних особей и смена рангов тех и других. Нет
смысла определять величину h2, если имеют место резкие различия в
условиях между поколениями родителей и потомков:
проявление межаллельного взаимодействий генов (доминирование,
сверхдоминирование), влияние инбридинга.
Меньше подвержен воздействию «помех» коэффициент
наследуемости, вычисленный с помощью регрессии: h2=2b.Это
объясняется тем, что на величину коэффициента регрессии не влияет
степень изменчивости признака. Если вычисление h2 ведется по
потомству от одного отца, то регрессия дочерей по матерям в разрезе
каждого производителя выражает величину аддитивной части
наследуемости, то есть b = 0,5(σа2 : σр2).
Возможно также определение h2, основанное на сопоставлении
признаков полусибсов, то есть у потомства от одного из родителей, по
формуле h2=4rп/С или (реже) у полных сибсов: h2=2rc.
При сопоставлении результатов использования указанных формул
выясняется, что они дают несколько различные величины h2 для
одного и того же выборочного материала.
Для вычисления h2 можно применять дисперсионный анализ с
разными типами статистических комплексов, используя формулу h2 =η2=Сx:Су (по Н. А. Плохинскому) или формулу Д. Снедекора: h2=
σx2: (σx2+ σz2).
Коэффициент повторяемости. При проведении генетического анализа
количественных признаков выявляют популяционный показатель,
тесно связанный с h2 и имеющий важное значение для оценки
наследственности. Этим показателем является коэффициент
повторяемости (rw), Его свойства заключаются в следующем: a) rw —
показатель генетического разнообразия; б) он является мерой
верхнего предела коэффициента наследуемости; в) определяет
надежность вносимых поправок в варьирующий признак с учетом
изменения средовых факторов; г) служит мерой определения ошибки
измеряемого признака.
При высокой величине повторяемости уровня признака особи
сохраняют определенный его уровень, что дает возможность более
эффективно вести селекцию.
Для вычисления rw чаще всего используют однофакторный
дисперсионный комплекс. Коэффициент повторяемости находится в
границах от 0 до +1. Для целей селекции предпочтительнее,
если rw имеет большую величину, Считают, что если rw<0,4, то уровень
коэффициента повторяемости низкий, при 0,5 — 0,6 — средний и при
0,7 и более — высокий.
Разные признаки имеют различные уровни коэффициента
повторяемости, но он всегда выше, чем коэффициент наследуемости,
вычисленный для той же выборки.
По литературным данным, величина rw у молочного скота находится в
следующих пределах: удой — 0,30 — 0,55; жирномолочность — 0,50 —
0,70; скорость молокоотдачи — 0,60 — 0,80; межотельный период —
0,01— 0,15; индекс осеменения — 0,13.
Так как большинство хозяйственно ценных признаков у
сельскохозяйственных животных имеют низкие величины h2 и rw, то
для получения более точной генотипической оценки признаков
целесообразно повышать число повторных измерений, что
повышает rw,
Коэффициент повторяемости позволяет измерить изменение
признака при смене условий жизни или на протяжении какого-либо
периода жизни. Например, проводя генетический анализ величины
удоя в популяции крупного рогатого скота, можно заметить, что этот
признак меняется у коров на протяжении ряда лактаций, то есть
отсутствует его постоянство на фоне возрастной динамики.
Отсутствие постоянства наблюдается при оценке густоты шерсти в
пробах, взятых из разных мест руна у овец. Здесь имеет место
топографическая изменчивость признака в пределах одного
животного или группы особей. Такой признак, как жирномолочность
коров, меняется по месяцам лактации, а для селекционной оценки
этого признака у конкретного животного требуется получить
обобщенный (средний) за лактацию показатель жирномолочности
данной коровы.
Повторяемость можно оценить путем вычисления коэффициента
корреляции. Разные признаки неодинаковы по величине
коэффициента корреляции между их смежными оценками, что
обусловлено самой природой признака. Например, коэффициент
корреляции между величиной удоя за смежные лактации (2-й и 3-й)
довольно большой и находится в границах 0,7— 0,8, а между 1-й и 10-й
лактациями он может принимать отрицательную величину. Таким
образом, коэффициент корреляции между показателями признака у
смежных временных отрезков может использоваться как показатель
повторяемости.
Более правильным и точным методом определения повторяемости
служит показатель внутриклассовой корреляции rw который
вычисляется по формуле
где σх2 — варианса между особями; σz2 — варианса показателей
«внутри» тех же особей. Обработка данных для
вычисления rw осуществляется с применением однофакторного
дисперсионного комплекса.
Компонент σx2 имеет сложную структуру. Он включает изменчивость
между особями, обусловленную генетическими вариансами, идущими
от родителей, а также некоторую долю влияния факторов среды,
вызывающих различия между особями. Поэтому коэффициент
повторяемости включает в себя генетическую и средовую варианс.
Если у каждой особи один и тот же признак измеряют несколько раз
(например, жирномолочность в течение 10 мес. лактации измеряют
ежемесячно), то в результате наблюдается внутрииндивидуальная
изменчивость, Она выражается вариансой σ2вн.
Влияние изменения среды в течение какого-то отрезка времени
вызывает у особи внутрииндивидуальную изменчивость, источником
которой служит варьирование среды. Другим компонентом,
влияющим на величину повторяемости этого же признака, является
изменчивость между особями, обусловленная их генетическими
различиями и влиянием варьирования общей среды для всех особей, в
которой эти особи находятся. Эти источники варьирования создают
межиндивидуальные различия между особями, что определяет
образование межиндивидуальной вариансы. С учетом источников
воздействия, вызывающих два типа изменчивости:
внутрииндивидуальную и межиндивидуальную, — формула
коэффициента повторяемости в общем, виде выражается так:
Коэффициент повторяемости отражает долю изменчивости
единичных повторных измерений, отнесенных к общей
фенотипической изменчивости признака. Если преобразовать эту формулу, то можно определить долю влияния факторов среды, а именно:
Формула внутриклассовой корреляции rw может быть преобразована
по Снедекору с учетом того, что ее числитель σg2+ σz2 имеет сложную
структуру среднего квадрата σg2. Поэтому числитель может быть
выражен в виде дроби: (σмг2+σЕ2): п0, так как он включает
межгрупповую вариансу σмг2, паратипическую (средовую) вариансу
σЕ2, сумма которых отнесена к среднему числу особей по градациям.
Поэтому рабочая формула коэффициента повторяемости может быть
записана следующим образом;
где σа2 — компонента вариации между особями; σг2 — варианса внутри
особей, а их сумма дает общую фенотипическую вариансу данного
признака, для которого вычисляют коэффициент повторяемости.
Таким образом, для определения коэффициента повторяемости
следует составить однофакторный статистический комплекс,
определить вариансу по фактору (σ2А), учитывая ее сложную
структуру, найти вариансу σг2, вычислить фенотипическую вариансу
по всему комплексу (σр2) и определить среднее число особей на одну
градацию комплекса (п0).
Рассмотрим пример определения коэффициента повторяемости по
плодовитости семи свиноматок за 5 первых опоросов (табл. 33)
то есть на плодовитость свиноматок достоверно влияют их наследственные особенности (45,5%), а 54,5% изменчивости обусловлено случайными факторами. Следовательно, повторяемость
плодовитости невысокая, что может быть результатом влияния
возраста свиноматок в период от 1-го до 5-го опороса.
Коэффициент повторяемости отражает генотипическое разнообразие
в стаде и является верхней границей наследуемости, поэтому он
может быть использован для раннего прогнозирования
продуктивности конкретного животного, а также максимального
уровня признака для данного стада.
Если известно, что коэффициент повторяемости между величиной
признака в раннем возрасте и в последующие возрастные сроки для
конкретной популяции достаточно велик, то можно прогнозировать
возможную последующую продуктивность конкретного животного,
например, по 1-й лактации можно оценить дальнейшую
продуктивность коровы.
При этом следует учитывать такие параметры, как х, σ, r между
смежными уровнями признака и b для популяции (стада).
Рассмотрим пример прогнозирования удоя первотелки с учетом
следующих данных:
Применение в селекции коэффициентов наследуемости, повторяемости и
генетических коэффициентов корреляций. Популяционные
коэффициенты наследуемости (h2), повторяемости (rw) и генетических
корреляций (rG) между признаками используют при прогнозировании
уровня селекционных признаков, которые следует повысить в
процессе планового подбора пар.
Одним из основных показателей, выражающих изменения
количественных признаков под влиянием селекции, служит величина селекционного эффекта (R), который показывает эффективность отбора (ответ на отбор). Он выражается путем сравнения
средних величин признака в двух смежных поколениях до и после
отбора:
R — потомства отобранных животных — популяции,
то есть разница в уровне средней величины признака у потомства,
полученного от отобранных родителей, и средним уровнем признака в
популяции до отбора родителей.
Если сравнить средний уровень признака у отобранной лучшей
группы родителей ( отоб.род) со средним уровнем признака в популяции
( попул), то разность между ними составит так
называемый селекционный дифференциал: Sd= отоб.род — попул.
Соотношение между величинами R и Sd определено коэффициентом
наследуемости h2, а именно: R=h2·Sd. Следовательно, чем больше
коэффициент наследуемости признака и селекционный
дифференциал, тем выше эффект селекции R, выявляемый у
потомства отобранных родителей.
Соотношение селекционного дифференциала (Sd) и фенотипической
изменчивости признака (σр) выражает интенсивность селекции i, а
именно:
i =Sd: σP. Следовательно, Sd — iσp. Используя полученное выражение,
можно определить теоретический, то есть ожидаемый, эффект
селекции: R = i/ σP·h2. Из этого выражения следует, что чем больше
интенсивность отбора и коэффициент наследуемости, тем выше
эффект селекции. Интенсивность отбора определяется численностью
исходного материала, то есть чем меньше доля отобранных для
размножения животных, тем выше интенсивность селекции и
выше R. Повышение коэффициента наследуемости достигается
оптимизацией кормления и содержания, что уменьшает вариансу
среды (σе2) и увеличивает долю генетической вариансы (σC2) в
фенотипической изменчивости признака. Это, в свою очередь, повышает h2 и эффект селекции.
Коэффициент повторяемости (rw) используют для прогнозирования
количественного признака, оценки животных в раннем возрасте. Чем
больше величина rw, то есть чем он ближе к единице, тем выше
значение этого коэффициента для суждения о доли влияния
наследственности на изменчивость признака и его наследуемость.
Генетический коэффициент корреляции (rG) позволяет
прогнозировать при отборе по одному признаку возможный уровень
другого. Он показывает, как оба селекционируемых признака
изменяются при проведении отбора по одному из них или при отборе
по двум. Зная величину rG, можно по одному признаку планировать
или прогнозировать другой признак. Чем больше величина rG между
двумя признаками, тем эффективнее косвенная селекция, если отбор
ведут по одному признаку, а эффект проявляется и по другому,
коррелирующему с основным признаком отбора.
При одновременном и длительном отборе по двум коррелирующим
между собой признакам может наблюдаться отрицательная
генетическая корреляция. Это обусловлено плейотропным действием
генов и разной их реакцией при разнонаправленном типе отбора по
обоим признакам, или при отборе, направленном для обоих в одну
сторону (или « + », или «—»), поэтому для практической селекции
важно знать направление отбора по каждому из признаков и
учитывать возможное снижение влияния и направление генетических
корреляций.
Из материалов данной главы следует, что статистические параметру,
характеризующие количественные признаки в популяции животных,
являются основными генетическими характеристиками. Для оценки
количественных признаков, имеющих полигенную (полимерную)
природу наследственной обусловленности, может быть применим
только статистический анализ сиспользованием средних величин (
,S, H, G, Mo,Me), показателей изменчивости (σ, σ 2, Cv), показателей
связи (r, rs, rG) и коэффициентов наследуемости и повторяемости
(h2, rw).Ocновываясь на этих статистических параметрах, можно
определять племенную ценность животных, прогнозировать их
продуктивность в раннем возрасте, определять эффективность
селекции и реакцию на интенсивность отбора.
Контрольные вопросы. 1. Каковы различия между количественным и
качественным признаками? 2. Перечислите статистические
параметры, используемые для характеристики уровня изменчивости
и наследственности количественных признаков. 3. Дайте определение
понятий «наследственность», «наследование», «наследуемость». 4.
Объясните содержание и применение теории путей. 5. Изложите
методы определения коэффициента повторяемости. ГЛАВА 13.
ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦИЙ
Живые существа в большинстве своем склонны к образованию скоплений,
Причина образования скоплений вполне объяснима: организмы
приспосабливаются к определенному комплексу условий среды и естественно,
что одинаково приспособленные особи стремятся скопиться в одной и той же
экологической нише.
Эволюционный процесс в органическом мире осуществляется не на уровне
отдельной особи, а на множестве особей данного вида животных или растений.
В широком смысле совокупность множества особей биологического вида,
обитающих в определенном ареале, составляет сообщество, называемое популяцией.
В генетическом аспекте популяция — это пространственно-временная группа
скрещивающихся между собой особей одного вида, Для генетической
(панмиктической ) популяции характерны свободное скрещивание особей,
отсутствие избирательности (ассортивности) при подборе скрещивающихся
мужских и женских организмов и отсутствие избирательности слияния гамет
при оплодотворении.
Генетическая популяция — основной генетический объект для характеристики
совокупностей организмов.
Свойства генетической популяции формируются под воздействием факторов
среды, а также наследственности, изменчивости и отбора. В итоге
взаимодействия перечисленных факторов в популяции происходят изменения,
которые характеризуют процесс ее развития. В практике разведения человеком
сельскохозяйственных и домашних животных изменение популяции
характеризуется процессом микроэволюции, при этом популяцией можно
считать массив животных конкретной породы, разводимой в определенной
географической или экологической зоне, или массив стада, которое в
современных условиях производства может включать несколько тысяч
животных. Часто породы расчленяются на несколько популяций,
распространенных в разных зонах. Имея ряд общих породных особенностей,
каждая из этих популяций отличается не только внешними признаками и
спецификой приспособления к условиям своей зоны, но отличия затрагивают и
генетические параметры (состав и частоту аллелей и генотипов). В каждой из
популяций идет процесс микроэволюции, обусловленной кормлением содержанием, отбором и климатическими различиями.
Различают природные популяции, формирующиеся в естественных природных
условиях под влиянием естественного отбора, и популяции, искусственно
формируемые человеком в процессе искусственного отбора и создания
специфические условий среды,
Особенности генетических (панмиктических) популяций.
Каждая генетическая популяция имеет определенную генетическую структуру и
генофонд. Генофондом называют совокупность всех генов, которые имеют
члены популяции. Генетическая структура определяется концентрацией
каждого гена (или его аллелей) в популяции, характером генотипов и частотой
их распространения,
Гаплоидный набор хромосом содержит один полный набор
генов, или один геном. В норме два таких набора генов служат главной
предпосылкой развития диплоидной фазы. Если в
популяции насчитывается А особей, то при нормальном диплоидном состоянии
хромосом число геномов в популяции со
ставит 2N.
Генетическую структуру популяции принято выражать частотой аллелей
каждого локуса и частотой гомозиготных и гетерозиготных генотипов.
Соотношение частот аллелей и генотипов в популяции проявляет определенную
закономерность в каждый конкретный отрезок времени и по поколениям
организмов.
Свободное скрещивание у разнополых организмов, а также у
перекрестнооплодотворяющихся приводит к проявлению комбинативной
изменчивости в результате объединения несходных по наследственности
мужских и женских гамет. У самоопылителей (горох, пшеница, томаты)
самоопыление систематически чередуется с переопылением пыльцой других
растений У вирусов этот тип изменчивости обусловлен процессом
рекомбинации в результате проникновения ДНК вируса в клетку хозяина; у
бактерий рекомбинация генетического материала является следствием
процесса трансдукции. Таким образом, на разных ступенях организации живых
существ происходят процессы, определяющие повышенный уровень
генетической изменчивости в популяции.
Важным свойством популяций служит их способность проявлять высокую
генетическую изменчивость, основной источник которой заложен в процессе
размножения,
Источником усиления наследственной изменчивости служит мутационный
процесс, в течение которого появление новых аллелей способствует
формированию в популяции новых фенотипов (и генотипов), ранее в ней
отсутствовавших.
Взаимодействие генов разных локусов между собой также оказывает влияние
на генетическую изменчивость популяции, Оно называется коадаптацией
генов. Эффект коадаптации генов в разных поколениях особей популяции
может быть разным по причине смены условий в разных поколениях.
Под действием отбора у особей, составляющих популяцию, формируется такое
важное свойство, как приспособленность к условиям среды. Уровень
приспособленности служит мерой прогресса популяции и выражается
интенсивностью размножения особей и увеличением численности популяции.
Генетическая структура каждой панмиктической популяции сохраняется в ряде
поколений до некоторых пор, пока какой-либо фактор не выведет ее из
равновесного состояния. Сохранение исходной генетической структуры, то есть
частоты аллелей и генотипов в ряде поколений,
называется генетическим равновесием и типично для панмиктических
популяций. Популяция может иметь равновесие по одним локусам и
неравновесное состояние по другим.
При переходе популяции в неравновесное состояние изменяются уровни частот
аллелей и генотипов, складывается новое соотношение между гомозиготными
и гетерозиготными генотипами.
Следует иметь в виду, что в природных популяциях и в тех, с которыми ведет
работу человек, отсутствует панмиктическое состояние, так как всегда имеются
факторы, нарушающие генное равновесие, поэтому понятие «панмиктическая
популяция» имеет теоретическое значение и служит моделью для выявления
процессов, изменяющих генетическую структуру и ход эволюции в конкретной
популяции, при сравнении ее с теоретически возможной панмиктической
популяцией.
Из вышеизложенного следует, что генетическая популяция является сложной
биологической системой, которая обладает противоположными свойствами:
динамичностью и постоянством. Генетическая популяция непрерывно
подвергается влиянию таких факторов, как разные типы скрещивания и размножения, воздействие отбора (искусственного и естественного), мутационного
процесса, меняющиеся факторы среды, миграция особей.
Изучение свойств и структуры генетических популяций, выявление
закономерностей в ее изменении под воздействием различных факторов
осуществляется таким направлением науки, как популяционная генетика.
Популяционная генетика. Начало популяционной генетики как научного
направления положено Г. Менделем и Ч. Дарвином.
Формирование популяционной генетики как специфического раздела
генетических исследований произошло с появлением работ датского физиолога
В. Иоганнсена, который в 1903 г. опубликовал работу «О наследовании в
популяциях и чистых линиях». Для изучения наследования массы и размера у
зерен фасоли Иоганнсен использовал математический подход в анализе
полученных данных, а также генетический метод сравнения признаков у
родительской формы и у потомства нескольких поколений. Позднее, в 1908 г.
независимо друг от друга английский математик Г. Харди и немецкий врач В.
Вайнберг опубликовали математический анализ частот аллелей и генотипов по
группам крови у людей и впервые сформулировали закон распределения
генетических параметров в панмиктических популяциях, который сделался
основным при оценке генетической структуры популяций.
Дальнейшее развитие популяционной генетики было осуществлено в
исследованиях С. С. Четверикова (1926), Р. Фишера (1930), Дж. Холдена (1932),
Н. П. Дубинина (1934), С. Райта (1932) и др. Эти ученые установили ряд новых
данных о закономерностях генетических структур популяции.
Последние 50 лет характеризуются бурным развитием популяционной
генетики, которая определяет новые подходы научного анализа теории
эволюции видов. Кроме того, она служит теоретической основой для
проведения эффективной селекционной работы с животными, растениями и
микроорганизмами и позволяет дать обоснование для правильного подхода в
изучении генетики человека, особенно в связи с необходимостью вести борьбу
с наследственными болезнями.
Методы изучения популяций. Развитие популяционной генетики
сопровождалось увеличением числа методов, которые использовали для
характеристики генетической структуры популяций, динамики величины ее
параметров при смене поколений и при воздействии различных факторов.
Основные методы изучения популяций:
метод генетического анализа, при котором изучают фенотипические качества
родителей и потомства, при этом выясняют характер наследования отдельных
признаков в группах потомков;
метод цитогенетического анализа кариотипа у особей популяции (выявление
хромосомных аномалий, влияющих на прогресс популяции). Этот метод
особенно важен при оценке производителей для предотвращения
распространения хромосомных дефектов;
эколого-физиологический метод — позволяет установить влияние факторов
среды на состояние популяции и степень реализации генетического потенциала
в фенотипическом проявлении признаков, что может быть установлено по
физиологическим, интерьерным и экстерьерным признакам. Метод может
выявить приспособленность фенотипов к условиям обитания, что особенно
важно при современной технологии, перемещении животных в новые условия
экономических зон, осложненном экстремальными и стрессовыми ситуациями;
математический метод (в том числе биометрии); он позволяет выразить
состояние и динамику генетической структуры, определить степень влияния
генетических факторов на фенотипическое проявление признака.
Математический анализ генетической структуры позволяет осуществить
моделирование генетических процессов, происходящих в популяции в ряде
поколений и определить их перспективу.
Основные закономерности генетической структуры популяции и чистые линии в
работах Иоганнсена. Первые шаги в развитии генетики, начиная с работ Г.
Менделя, были направлены на изучение передачи качественных признаков от
родителей потомкам. В отношении количественных признаков определенность
к началу нашего столетия отсутствовала. Следовало выяснить, имеют ли
количественные признаки (рост, масса и др.) наследственную обусловленность
и подчиняется ли она законам Менделя.
В 1903 г. В. Иоганнсен установил, что изменчивость количественных признаков
обусловлена влиянием среды и разнообразными наследственными задатками у
особей. Иоганнсен проводил опыты на семенах фасоли, изучая два
количественных признака: массу и размер семян. При этом он проводил учет
признаков в ряде поколений раздельно по каждому растению, полученному от
смеси бобов, и потомство от отдельно взятого семени.
Измерив массу бобов, взятых из партии семян, Иоганнсен выявил сильную
изменчивость этого признака, а именно: масса отдельно взвешенных бобов
варьировала от 100 до 900 мг. Исходный посевной материал и выращенные из
него растения Иоганнсен назвал популяцией. Фасоль является самоопылителем, поэтому все растения, полученные в ряде поколений от одного боба,
имеют сходную наследственность. Потомство, полученное от одного исходного
боба, было названо чистой линией. Дальнейшее размножение в пределах
каждой линии выявило индивидуальную изменчивость массы бобов, примерно
от 200 до 700 мг. Средняя масса бобов у растений разных линий колебалась от
350 до 642 мг. Полученные результаты дали возможность предположить, что
наследственность растений из разных чистых линий различна, а изменчивость
массы у отдельных бобов в пределах линии обусловлена влиянием среды и
ненаследственна.
Изучая изменчивость количественных признаков у самоопылителей, Иоганнсен
впервые показал наличие двух типов изменчивости: генетической и
ненаследственной. Он пришел к выводу, что следует различать фенотипическую
и генетическую изменчивость и ввел термины «фенотип» и «генотип».
Опыты проводились на фасоли в течение многих поколений, поэтому был
прослежен эффект отбора по массе бобов. Оказалось, что в пределах каждой
чистой линии отбор не изменил массу бобов и он оставался на одном уровне в
ряде поколений, то есть отбор был неэффективен, так как наследственность у
организмов данной чистой линии была сходна, а имеющиеся различия по массе
и размеру обусловлены факторами среды и не наследуются в поколениях. В
популяции, представлявшей собой смесь бобов с разной наследственностью,
действие отбора изменяло среднюю массу боба, то есть наблюдался эффект
отбора.
Установление закономерности в специфике влияния отбора в популяции и
отсутствие эффекта отбора в чистых линиях имели значение для селекционной
практики. Было показано, что у самоопылителей из одного исходного растения,
отобранного из популяции, можно создать чистую линию, а из нее — новый
сорт, изменчивость в пределах которого будет модификационной, то есть
ненаследственной, а исходная наследственность будет сохраняться в
нескольких поколениях.
Положения Иоганнсена подтверждаются практикой. Так, в птицеводстве
консолидацию наследственности закрепляют использованием инбридинга и
получением инбредных линий, а усиление эффекта селекции и получение
повышенной генетической изменчивости достигается путем скрещивания
инбредных линий, межлинейного, межпородного и т. п.
Закон Харди — Вайнберга, генное равновесие и методы
его определения. Следующий этап в изучении генетических особенностей
популяций связан с исследованиями английского математика Г. Харди и
немецкого врача В. Вайнберга, которые изучали независимо друг от друга
частоту появления генотипов и аллелей групп крови системы AB0 у человека
(1908), В процессе исследований установлена математическая закономерность
постоянства генотипического состава панмиктических популяций. Если
обозначить два аллеля одного локуса через А и а, то закойомерность в
соотношении частот образования возможных генотипов (АА, Аа и аа) в
потомстве может быть выражена вероятностями р и q появления генотипов по
формуле бинома:
(PA + qa)2=pAA2 + 2pA-qa + qaa2.
При этом всегда p + q=1 и p2 + 2pq+q2 = l.
Этот теоретический вывод можно выразить с помощью решетки Пеннета (табл.
35).
Из таблицы следует, что частота генотипов у потомства составляет: PAA2 +
2pA·qa + qaa2, что соответствует коэффициентам бинома второй
степени (p+q)2. Частоты гомозиготных генотипов — частотой раа2 и qaa2, а
гетерозиготного генотипа — 2pAqa.
Суть закона Харди — Вайнберга заключается в том, что в популяции при
свободном скрещивании сохраняется постоянство генетической структуры при
постоянстве частоты генотипов, что выражается коэффициентами частот
разложения бинома. Сохранение в потомстве той же генетической структуры,
что и в исходном поколении, называется равновесным генетическим
состоянием популяции.
При наличии в локусе трех аллелей (обозначим их А1, А2, Аз) соотношение
генотипов будет следующим:
Соответствие частот генотипов в трехаллельной структуре локуса также будет
означать, что популяция находится в генном равновесии по данному локусу и
соотношение генотипов соответствует закону Харди — Вайнберга согласно
формуле (p + q+z)2.
Примером трехаллельной системы служит структура генотипов
трансферина (Тf) сыворотки крови. У крупного рогатого скота выявлено три
аллеля: TfD, TfBt TfH; генотипы, которые могут быть сформированы в следующем
сочетании: DD, ЕE, HH, DE, DH, EH, — выявляются при электрофорезе пробы
сыворотки крови, Генетическая структура популяции скота по локусу
трансферина будет соответствовать закону Харди — Вайнберга, то
есть: p2DD+q2EE+z2HH+2pDqE+2pDZH+2qEZH.
Если на популяцию не оказывают влияние отбор, мутационный процесс и
другие факторы, то она сохраняет генное равновесие из поколения в поколение
и ее структура подчиняется закону Харди — Вайнберга для панмиктической
популяции.
Методы определения генетической структуры и генного равновесия популяции.
Рассмотренный закон Харди — Вайнберга позволяет определить генетическую
структуру популяции и ее генное равновесие в отношении качественных
признаков.
Выявление генетической структуры приобретает в селекционной практике
существенное значение, особенно если в популяции происходит
систематическое появление особей с признаками патологии, имеющей
наследственную обусловленность. При этом важно определить частоту данной
патологии, динамику ее распространения по поколениям или уменьшение ее
частоты при проведении отбора, направленного на устранение патологического
признака. Это особенно важно при работе с племенными стадами животных,
влияние которых распространяется на породу в целом и на практические
результаты работы с отраслью.
Наиболее просто определить генетическую структуру популяции, если в ней
встречаются особи с фенотипически легко выявляющимися рецессивными
гомозиготными генотипами, напримераа. В Животноводстве к таковым относят
особей с врожденной слепотой, альбинизмом, скелетными аномалиями и
другими нежелательными признаками, но возможны и рецессивные
гомозиготные признаки, которые соответствуют целям Селекции. Примером
этого служат многообразные вариации окраски меха у пушных зверей,
оперения у птиц, масти лошадей и крупного рогатого скота. Следовательно, в
зависимости от селекционной цели к рецессивным генотипам в популяции
следует применить метод селекции для их устранения либо закрепить эти
признаки и превратить их в породные.
Пример. В племенном стаде молочного скота численностью 200 голов
зарегистрировано рождение двух слепых телят. Дефект обусловлен гомозиготным рецессивным генотипом аа.
Исходя из формулы Харди — Вайнберга, определяем частоту таких генотипов в
стаде:
где naa —число рецессивных генотипов, N-общее число животных — 200 гол.
Частота появлений слепых телят составит: q2aa2/200=0,01; отсюда Частота
рецессивного аллеля
Определяем частоту
доминантного аллеля A, обусловливающего нормальнее зрение: pA=1— qa
=1—0,1=0,9. Зная частоты обоих аллелей. рA=0,9 и qa=0,1, — по формуле Харди
— Вайнберга находим теоретическую генетическую структуру данного стада по
локусу, определяющему состояние
зрения: Np2AA+N2pAqa+Nq2aa=200•0,92аа+200•2•0,9а•0,1a+200•0,12aa=
62аа+36аa+2аа=200 голов.
Таким образом, 36 животных в стаде гетерозиготны (Аа) и будут источником
дальнейшего появления слепых телят. Выявление гетерозигот можно
осуществить, изучая родословные особей, от которых появляются слепые
телята, и родство их с другими животными, то есть для выявления гетерозиготных особей требуется провести генетический анализ родословных. Формула Харди — Вайнберга может лишь ориентировать селекционера на теоретическую частоту гетерозиготных особей — носителей патологии
Можно применять так называемое анализирующее скрещивание. Для этого
животное с неизвестным, но предполагаемым генотипом
(АА или Аа) спаривают с животным, имеющим рецессивный
генотип (аа), фенотипически проявляющийся при визуальном обследовании. В
этом случае возможны два варианта генотипов потомства. Если испытуемое
животное имеет гетерозиготный генотип Аа, то скрещивание Аа×аа дает в потомстве появление фенотипов Аа и аа, то есть расщепление, часто близкое 1:1
(50% Аа и 50% аа). Если же испытуемое животное гомозиготно по
доминантному аллелю, то есть имеет генотип АА, то при
скрещивании АА×аа в F1 расщепление не наблюдается и генотип
потомков Аа фенотипически будет соответствоватьА А,
Из закона Харди — Вайнберга следует, что редкие аллели, особенно
рецессивные, присутствуют в популяции чаще всего в гетерозиготном состоянии
(Аа).
Для выявления нарушения генного равновесия в популяции используют
несколько методов. Основным методом служит сравнение фактически
существующей генетической структуры популяции, которую выявляют по числу
животных с данным фенотипом, с теоретической структурой, определяемой на
основании частот р и q по формуле Харди — Вайнберга. Этот метод удобен,
если сопоставляемые признаки наследуются кодоминантно, при этом в
фенотипе проявляются оба аллеля локуса. В этом случае частоты каждого
фенотипа легко выявить визуально. Так, например, при определении фенотипов
(они же и генотипы) гемоглобина (Нb) у крупного рогатого скота путем
электрофореза гемолизированной крови на бумаге можно выявить типы
гемоглобина по окрашенным пятнам, располагающимся в виде полос на
фореграмме. Молекулы каждого типа отличаются между собой, а синтез их
обусловлен действием двух разных генов:НbА и НbВ. Эти аллели локуса
гемоглобина образуют три генотипа: НbАА, НbВВ и НbАВ. Все три типа гемоглобина выявляются в виде полос на разном расстоянии от места нанесения
образца крови на полоску бумаги. Зная число каждого из генотипов, можно
определить частоту аллелей НbА и НbВ, частоту генотипов АА, АВ и ВВ и
определить генетическую структуру данной популяции.
Например, при обследовании 1000 коров джерсейской породы выявлены
различные типы гемоглобина. В стаде оказалось 700 особей с гемоглобином
типа АА, 250 — с гемоглобином АВ и 60 особей — ВВ. Частоты HbА и НbВ можно
определить по формуле максимального правдоподобия, предложенной Р.
Фишером. Формула позволяет определить число аллелей для каждого генотипа
и общее число аллелей (2N) у всей группы обследованных животных. Находим
частоты аллелей рA и qB:
Далее определяем теоретические частоты распределения коров по генотипам
гемоглобина. По формуле Харди — Вайнберга, число гомозиготных
генотипов АА составит: N • р2 AA= 1000 • 0,8252 =680,6 головы; число гетерозиготных генотипов: N2рA•qв=1000-2-0,825-0,175=288,8 головы; число гомозиготных генотипов ВВ оказалось: Nq2BB = 1000•0,1752 =30,6 головы. Проверку
правильности расчета делаем путем суммирования: 680,6+288,8+30,6== = 1000
голов.
Далее, используя метод x2, выясняем состояние популяции по генам локуса
гемоглобина. Для этого сопоставляем фактическое (Ф) и теоретическое (Т) число
генотипов и подставляем данные в формулу
Для определения хи-квадрат проводим вычисление по прилагаемому
алгоритму (табл. 36).
Суммируя последнюю строку, получаем фактическую величину хиквадрат: х2=0,553+5,213+12,29=18,06. Число степеней свободы (v) для полиморфных систем равно числу генотипов (в примере их три) минус число
аллелей (в примере их два), то есть v=3—2=1. По стандартным таблицам
определяем теоретическую величину x2 при v=l и значимости р=0,01. Она
составляет 6,63. Так как x2 фактическое больше x2 теоретического (18,06 > 6,63),
то между числом теоретических и фактических генотипов имеет место
достоверная разность, что указывает на нарушение генного равновесия в
данной популяции скота по локусу гемоглобина,
Состояние генного равновесия в популяции можно определить с помощью
формулы
Если pA2qa2=(pA•qa)2, то популяция находится в генном равновесии. Если
же pA2•qa2≠(pA•qa)2, то это указывает на нарушение генного равновесия.
В нашем примере анализ показал, что 0,8252•0,1752=(0,825•0,175)2. Отсюда
0,680525 • 0,030625 = 0,1031252, и получаем неравенство: 0,02008≠ ≠0,01063.
Так как получено неравенство, можно сделать вывод, что в популяции из
нашего примера нарушено генное равновесие по данному локусу.
Если генное равновесие нарушено под влиянием какого-либо фактора и
утрачено условие панмиксии, то оно может быть восстановлено уже в
следующем поколении, когда в родительском поколении возникает свободное
скрещивание. Следовательно, скрещивание, восстанавливающее генное
равновесие в популяции, называется стабилизирующим, но частоты генотипов
будут иными, чем в предыдущих поколениях. Генное равновесие может быть
нарушено по одному, но сохранено по другим локусам,
Если аллель, обусловливающий какой-либо признак, сцеплен с половой
хромосомой X, то генное равновесие восстанавливается не в первом поколении
потомков, а через поколение, так какХ-хромосома переходит от отца к дочерям
и от матери к сыновьям.
Выяснено, что чем больше в популяции особей с доминантным признаком, тем
сильнее нарушается генное равновесие и частота фактических генотипов
отличается от частот, теоретически ожидаемых.
Изменение генетической структуры популяции. Любая популяция может менять
генетическую структуру под воздействием внешних и внутренних факторов,
следовательно, популяция обладает генетической пластичностью. Вместе с тем
популяция способна сохранять структуру в ряде поколений или на протяжении
разных временных отрезков, что сопровождается формированием ее
генетического гомеостаза, то есть постоянства.
Противоречивость этих двух свойств популяции обеспечивает ее генетическую
динамику, на фоне которой формируется приспособленность особей,
образующих популяцию, к меняющимся условиям среды и внутренних и
внешних факторов.
Факторы, способные изменять генетическую структуру популяции,
многообразны, и каждый оказывает специфическое влияние на частоту аллелей
и генотипов. Из них следует отметить отбор (естественный и искусственный);
мутационный процесс (генный и хромосомный); миграции особей из популяции
или в нее; тип скрещивания (межвидовое, межпородное, внутрипородное,
инбридинг); избирательность или свободное спаривание особей:
малочисленность членов популяции, вызывающую случайный дрейф генов;
смену условий среды.
Действие одного или нескольких из указанных факторов вызывает изменение
генетической структуры и определяет эволюционный процесс в природных
популяциях и микроэволюционный процесс в популяциях животных,
разводимых человеком. Их называют факторами эволюции. Действие каждого
из них или совокупность факторов вызывает различную степень изменения
генетической структуры популяции.
Влияние отбора на генетическую структуру популяции. Изменение генетической
структуры популяций происходит вследствие естественного и искусственного
отбора, в результате действия которых изменяются частоты аллелей и
генотипов и происходит нарушение генного равновесия. Влияние отбора
отмечают на разных этапах онтогенеза в стадии гамет, зигот, на разных стадиях
роста и развития, у половозрелых особей.
Естественный отбор обусловлен влиянием разнообразных факторов внешней
среды на отдельные организмы и на всю популяцию. Искусственный отбор
осуществляет человек, изменяя условия кормления и содержания, устраняя
нежелательных особей или вводя в популяцию необходимых в селекции индивидуумов.
Главное влияние естественного отбора на популяцию выражается в том, что он
способствует повышению приспособленности организмов к различным
условиям жизни. Роль естественного отбора в формировании
приспособленности и эволюции видов была показана в исследованиях Ч.
Дарвина. Организмы, составляющие популяцию, отличаются между собой по
наследственным свойствам, и реакция их на условии среды различна.
Естественный отбор, поддерживая одни генотипы и устраняя другие, приводит
к разнообразию организмов в популяции. Количественной мерой
интенсивности воздействия естественного отбора на популяцию служит
приспособленность организмов, иногда
называемая селективным или адаптивным действием отбора. Показателем
приспособленности является уровень интенсивности размножения и
выживания особей определенного генотипа. Приспособленность,
сопровождающуюся высоким уровнем воспроизводства, принимают за
единицу, а с меньшими уровнями — выражают в долях единицы. Чем выше
приспособленность у особей данного генотипа, тем выше частота распространения генотипа в популяции.
Компонентами приспособленности являются показатели выживаемости,
плодовитости, скорости развития, эффективности спаривания,
продолжительности репродуктивного возраста. Естественный отбор оценивает
общую суммарную приспособленность, в которую входят перечисленные
компоненты.
Естественный отбор затрагивает жизненно важные признаки особей в
природных популяциях.
При разведении домашних животных на структуру популяции влияет
искусственный отбор, особенно на те признаки, которые имеют ведущее
значение для человека (продуктивность, воспроизводительная функция,
выживаемость), но иногда в селекционной практике главными могут быть
морфологические признаки, имеющие декоративное значение при разведении
домашних животных.
Действие отбора на популяцию многообразно. Интенсивность отбора и его
направление в пользу или против какого-либо аллеля служит эффективным
приемом влияния на генетическую структуру популяции. Отбор может изменять
частоту аллеля и даже устранять его из популяции. Действие отбора может
способствовать сохранению в популяции особей с определенными аллелями и
генотипами (то есть отбор в пользу аллеля) или, наоборот, вызывать их
устранение (отбор против аллеля). На эффект отбора влияет состояние аллеля и
генотипа, то есть предварительно необходимо выяснить их летальность,
приспособительную ценность, тип действия (доминантный, рецессивный или
кодоминантный), полную или частичную пенетрантность и экспрессивность.
Отбор при доминантных аллелях. При отборе в пользу доминантных аллелей,
имеющих приспособительную ценность, в популяции быстро повышается
концентрация доминантных аллелей(А) и накопление генотипов с этим
аллелем, то есть АА и Аа. Концентрация рецессивных генотипов аа снижается.
Если доминантный аллель А имеет летальный тип, то отбор будет направлен
против этого аллеля и устраняет из популяции особей с этим аллелем уже в
первом же поколении. Если доминантный ген имеет полулетальное действие
или неполную пенетрантность, то он устраняется отбором постепенно на
протяжении ряда поколений.
Отбор при рецессивных аллелях. Рецессивные аллели (а), возникающие в
результате мутации, чаще находятся в гетерозиготном (Аа) состоянии (то есть в
скрытом) и реже в виде гомозиготных рецессивных генотипов (аа). Отбором
быстрее устраняются генотипы аа, а частота гетерозигот при этом повышается и,
следовательно, повышается источник рецессивных аллелей, которые будут
постоянно выщепляться в последующих поколениях, что переводит их в
гомозиготы аа. Поэтому отбор рецессивных аллелей проходит менее
эффективно, чем доминантных, и осуществляется в течение многих поколений.
Зная особенность отбора редких рецессивных аллелей, устранять их из
популяции следует не только удалением особей с рецессивным
фенотипом аа, и, что более важно, выявлять животных — носителей таких
аллелей. Для этой цели необходимо анализировать родословные животных —
предполагаемых носителей вредных аллелей, применять анализирующее скрещивание и осуществлять такой подбор пар, который предотвращает сохранение
рецессивных аллелей в гетерозиготном состоянии.
На скорость распространения рецессивных аллелей влияет сцепление
некоторых из них с половой Х-хромосомой. Например, если в половой Ххромосоме частота аллеля гемофилии у самокqa = 0,08, то у самцов этот аллель
составляет 1 :qa= = 1 : 0,08= 12,5, то есть гемофилия у мужских особей должна
встречаться чаще, чем у самок. Гемофилия обнаружена не только у человека, но
и у лошадей и собак.
Иногда в практике селекции некоторых видов животных требуется закрепить и
распространить в популяции желательный рецессивный ген и его гомозиготный
генотип. При этом отбор направлен в пользу рецессивных аллелей и генотипов,
которые позволяют получить особей с желательными рецессивными
признаками. В качестве примера можно назвать широко применяемый в
пушном звероводстве отбор на появление новых мутантных окрасок меха,
имеющих рецессивный тип наследования. Многие аномалии скелета у собак
были закреплены искусственным отбором и сделались породными признаками,
например, укороченность ног у такс, мопсовидность строения челюстного
аппарата у японских болонок. У ангорских кроликов, лабораторных крыс и
мышей закреплен как породный признак рецессивный аллель альбинизма.
Отбор в пользу гетерозигот, влияние среды. В селекционной практике можно
найти примеры, когда отбор осуществляется в пользу гетерозиготных
генотипов Аа, так как гомозиготные генотипы АА и аа имеют пониженную
приспособляемость, низкую плодовитость и выживаемость.
Состояние гетерозиготного генотипа Аа, сопровождающееся повышенной
приспособленностью особей, называется сверхдоминированием и
характеризуется гетерозисом. При отборе в пользу таких гетерозигот
происходит формирование устойчивого полиморфного равновесия. Примерами
отбора в пользу гетерозигот служит селекция серых каракульских овец, которые
могут проявлять выживаемость только в гетерозиготном состоянии Аа. Серая
окраска (ширази) у каракульских овец обусловлена доминантным аллелем А. В
гомозиготном состоянии аллель Априводит к гибели животных. При
гетерозиготном генотипе А а овцы будут иметь желательную окраску ширази и
нормальную жизнеспособность. Рецессивный аллель а определяет черную
окраску (араби), а в гетерозиготном генотипе Аа его действие не проявляется,
поэтому черные каракульские овцы имеют генотип аа. Спаривание
гетерозиготных серых овец (Аа) с черными(аа) дает в потомстве 50% гетерозиготных серых овец (Аа) и 50% гомозиготных черных (аа).
Другим примером отбора в пользу гетерозигот служит генотип человека,
гетерозиготный по локусу гемоглобина (Hb), который препятствует появлению
заболеваний серповидно-клеточной анемии.
Отбор против гетерозигот. Снижение приспособленности и уменьшение
плодовитости часто вызывается транслокацией хромосом, что наблюдается, в
частности, при транслокации Робертсона, которая создает гетерозиготное
состояние в результате соединения разных хромосом в один агрегат. Животные
с таким хромосомным дефектом отличаются пониженной выживаемостью и
плодовитостью, и численность их в популяции уменьшается под действием
естественного отбора. В последние годы в селекционную практику
животноводства включают тестирование животных по их кариотипу. В этом
случае селекционер может направленно устранять из племенной части
популяции животных с различного рода хромосомными аномалиями, которые
создают в клетках состояние гетерозиготности.
Частотно-зависимый отбор. В природных и контролируемых человеком
популяциях некоторые фенотипы встречаются редко, и это обстоятельство
создает для них некоторое преимущество, в частности для размножения.
Например, у дрозофилы, птиц при выборе брачных партнеров большее
преимущество в спаривании имеют те особи, которые имеют фенотипические
отличия. Формирование редких фенотипов зависит от частоты гена,
следовательно, при низкой частоте создается преимущество для появления
редких фенотипов и повышения их приспособленности. Наоборот, при высокой
частоте того же аллеля отбор действует против этого аллеля и сопровождается
снижением приспособленности. Следовательно, воздействие отбора на аллели,
характеризуемые низкой и высокой частотой, приводит к сбалансированному
полиморфизму, при котором наступает устойчивое равновесие и перестает
проявляться гетерозис. Выраженная таким образом зависимость и получила
название частотно-зависимого отбора.
Частотно-зависимый отбор в пользу повышения приспособленности является
механизмом поддерживания генетического полиморфизма. Он часто
наблюдается в природных популяциях, однако может иметь практическое
значение в селекции животных. Например, если требуется повысить частоту
желательного фенотипа, то в условиях искусственного отбора можно повлиять
на повышение частоты редкого аллеля, определяющего этот фенотип, создавая
благоприятные условия среды. Повышение частоты аллеля будет
сопровождаться повышением приспособленности животных — носителей
нужного аллеля. Следовательно, этим путем можно увеличить число животных,
обладающих более высокой приспособленностью, а следовательно, и
повышенной выживаемостью и более интенсивным размножением, что
соответствует целям селекции.
Примером влияния частотно-зависимого отбора может служить работа по
выведению платиновых лисиц, для которых характерны ослабление окраски
шерсти, увеличение белого рисунка, голубые глаза. Такая окраска появилась в
1933 г. у серебристо-черных лисиц в результате мутации гена, аллель Которого
обозначают Wp. В гомозиготном состоянии ген Wp приводит к гибели
эмбрионов. Для увеличения численности животных с таким фенотипом
используют гетерозиготных платиновых особей, но это сопровождается
снижением плодовитости и высоким отходом щенков. Следовательно,
ген Wp не только ослабляет окраску, но и вызывает снижение
жизнеспособности, то есть имеет плейотропное действие. Для увеличения в
популяции частоты желательных, но редких платиновых фенотипов применили
спаривание платиновых самцов с серебристо-черными самками для получения
гетерозигот типа Wpw. Здесь сказывается частотно-зависимый отбор, когда
накопление желательного фенотипа сопровождается высокой выживаемостью
потомства при использовании в качестве производителей гетерозиготных
самцов платинового типа для повышения приспособленности, что
сопровождается накоплением частот особей платинового типа.
В природных популяциях частотно-зависимый половой отбор проявляется в
том, что особи (самцы) с редкими фенотипами предпочтительнее при
спаривании, чем самцы с распространенным фенотипом. При частотнозависимом отборе приспособленность является функцией частот аллелей.
Влияние среды на эффект отбора. Формирование любого признака находится
под воздействием среды и наследственных факторов. В результате их сочетания
в организме формируется фенотипическое состояние признака, который и
подвергается действию естественного и искусственного отбора.
Факторы среды влияют на направление отбора. Наследственность организма
определяет норму реакции на условия среды, которые или способствуют, или
снижают степень реализации генотипа.
Создавая оптимальные условия кормления и содержания, селекционер
получает более правильную информацию о качестве животных и в процессе
отбора оставляет желательных особей. Если уровень кормления и содержания
недостаточен, то может произойти смена рангов по качеству животных, то есть
лучшие животные не смогут в таких условиях проявить свои возможности,
снизят показатели и перейдут в ранг менее ценных, а средние животные могут
оказаться более продуктивными в менее благоприятных условиях и занять
более высокий ранг. Следовательно, только на фоне наиболее благоприятных
условий происходит реализация генетического потенциала животных, и
фенотипическая оценка правильно отражает их генетическую ценность.
Факторы внешней среды определяют направление отбора и на его фоне —
приспособленность организмов.
Воздействие отбора зависит от его типа. Различают стабилизирующий,
направленный, дизруптивный (разрывающий), дивергентный отбор. Каждый
тип отбора широко используется в процессе селекции в целях улучшения
хозяйственно ценных признаков. Показателем действия каждого типа отбора
служит сохранение (или устранение) численности особей определенного
фенотипа (по количественным или качественным признакам), которые вступают
в размножение и пополняют следующие поколения, обеспечивая
воспроизводство панмиктической популяции.
Стабилизирующий отбор. В популяциях (природных и разводимых человеком)
возможен стабилизирующий отбор, при котором из популяции устраняются
особи с крайним уровнем варьирующего признака. Это означает, что выбывают
особи, как с наименьшей, так и с наибольшей величиной признака, но
сохраняются в ряде поколений особи модального класса как более
приспособленные. Особи крайних классов варьирования, в частности за
пределами ±2σ, чаще всего оказываются менее приспособленными по
сравнению с теми, которые располагаются в зоне ±2σ от средней величины
признака и близки к модальному классу. Устранение из популяции особей из
крайних классов варьирования происходит под воздействием естественного
отбора, особенно при неблагоприятных для жизнедеятельности условиях
среды. Например, в тяжелых условиях зимней тебеневки оленей естественный
отбор устраняет как мелких и слабых особей, так и крупных, которые не могут
обеспечить себя необходимым количеством корма. Для популяций сельскохозяйственных животных стабилизирующий отбор имеет меньшее значение,
так как чаще всего человек устраняет из популяции животных, имеющих
величину признака меньше, чем его средняя величина, но оставляет средних и
превышающих средний уровень.
При действии стабилизирующего отбора происходит уменьшение размаха
изменчивости признака, частота генов приближается к равновесному
состоянию, а величина признака — к среднему уровню.
Направленный отбор. При направленном отборе происходит увеличение
численности потомства с повышенным уровнем признака по сравнению со
средним его уровнем в родительском поколении. Такой отбор широко
применяется в животноводстве, особенно при необходимости повысить
продуктивность и воспроизводительную функцию животных. Задача селекционера — закрепление в стаде достигнутых показателей путем направленного
отбора и гомогенного подбора родительских пар; увеличение численности
ценных животных в условиях, оптимальных для реализации наследственности и
повышения генетического потенциала популяции. Животных, не
соответствующих цели селекции, выбраковывают.
Направленный отбор сопровождается усилением генетической изменчивости и
накоплением аллелей и генотипов, способствующих повышению
приспособленности особей.
Дизруптивный (разрывающий) отбор. Этот тип отбора возникает в результате
действия разнообразных внешних факторов. Поскольку особи в популяции
имеют разные генотипы, то они по-разному реагируют на факторы среды, при
этом популяция распадается на субпопуляции. Часть особей накапливается в
зоне меньших величин варьирующего признака, а другие сосредоточиваются в
зоне средних или более высоких величин.
Таким образом, дизруптивный отбор благоприятен для особей с крайней
величиной признака, но направлен против особей с промежуточной (ближе к
средней) величиной признака. При дизруптивном отборе будут отмечаться дветри модальные вершины вариационной кривой, то есть популяция распадается
на качественно новые субпопуляции.
Дизруптивный отбор наблюдается у гибридного потомства при отдаленной
гибридизации и у помесей, полученных при межпородном скрещивании.
На любой тип отбора сильнее реагируют жизненно важные признаки и менее
чувствительны к отбору малозначащие признаки.
Дивергентный отбор. Установлено, что сила отбора проявляется в разной
степени, в зависимости от того, ведется ли отбор на усиление или уменьшение
признака. Если искусственный отбор направлен на усиление признака, то его
эффект меньше, чем если бы он был направлен в сторону уменьшения.
Например, если в ряде поколений ведется селекция на повышение
жирномолочности коров путем отбора особей с повышенной жирностью
молока, то увеличение этого показателя обычными селекционными приемами
происходит постепенно и уровень жирномолочности повышается
незначительно. Только проведением скрещивания коров исходной породы с
быками жирномолочной породы (джерсейской) можно повысить средний
уровень жирномолочности, вероятность утраты которой в последующих
поколениях достаточно высока. Следовательно, закрепить более высокий
уровень количественных признаков оказывается труднее, чем, если бы
селекция была направлена на уменьшение уровня признака, когда его
снижение достигается уже в ближайших поколениях.
Так, в опытах Бейерда с сотрудниками проводился отбор у свиней по живой
массе в 180-дневном возрасте на протяжении девяти поколений. Средняя масса
за этот период составляла в исходной группе около 65 кг, В группе селекции на
повышение к 9-му поколению масса увеличилась только до 67—68 кг, то есть на
2—3 кг, а в группах селекции на уменьшение масса быстро снизилась и к 9-му
поколению уменьшилась на 10 кг.
Указанная особенность эффекта селекции на « + » и «—» уровней признака
имеет важное значение в селекционной работе. Так, например, если в стаде
происходит снижение уровня какого-либо признака вследствие
неучитываемого селекционного давления (например, инбридинга или
использования быка-ухудшателя), то уже в ближайших поколениях будет
происходить заметное ухудшение признака, что наносит экономический ущерб
хозяйству. Чтобы усилить тот же самый признак, потребуется большее число
поколений и включение в селекцию направленных приемов подбора, которые
приведут хотя и к медленному, но устойчивому повышению уровня
желательного признака.
Ответ на отбор и его прогнозирование. Показателем ответа на отбор служит
изменение средней величины фенотипического признака популяции в разных
поколениях. Для суждения об ответе на проведенный отбор определяют разни-
цу между средним значением признака у потомства ( поколения), полученного от
отобранной группы родителей, и средним уровнем признака всего
родительского поколения до отбора
(
попул
).
Мерой интенсивности отбора служит величина селекционного
дифференциала (Sd), получаемая от сравнения среднего значения признака у
отобранной группы родителей ( отобр) в сопоставлении со средним всего
родительского поколения до отбора ( попул), то есть Sd = отоб— попул.
Ответ на отбор выражается формулой R = bор•Sd, где bор — коэффициент
регрессии потомков на среднее значение признака их родителей, что
составляет коэффициент наследуемости h2. Отсюда R = h2 Sd, то есть R — это
ожидаемая величина признака у потомства отобранных родителей.
Селекционный дифференциал (Sd) зависит от величины изменчивости признака
(σ) и от количества особей, отобранных для воспроизводства. Чем меньше
лучших особей отбирают для воспроизводства, тем больше селекционный
дифференциал.
Ответ на отбор увеличивается с повышением интенсивности отбора (i) ценных
особей из популяций для воспроизводства и при более высоких величинах
коэффициента наследуемости (h2) и стандартного отклонения σ.
Отбор уменьшает изменчивость признака в потомстве, что оказывает влияние
на величину интенсивности отбора. Уменьшение изменчивости снижает ответ
на отбор, особенно у потомства первого поколения. В последующих поколениях
снижение ответа на отбор проявляется слабо.
Пределы и длительность отбора. При проведении отбора в ряде поколений
необходимо знать, сохраняется ли эффект отбора из поколения в поколение.
Теоретически можно ожидать, что длительный отбор по какому-либо признаку
сопровождается накоплением аддитивных генов, благоприятно влияющих на
селекцию признака, и поэтому через некоторое число поколений наступает
оптимум отбора и ответ на селекцию достигает так называемого предела
отбора. В таком случае прогресс в селекции признака прекращается — таковы
теоретические предположения.
В связи с важностью вопроса о селекционном пределе проведено много
экспериментов с разнообразными объектами и высказаны теоретические
предположения. Оказалось, что на предел отбора влияет число генов,
определяющих признак. С увеличением числа локусов уменьшается доля их
влияния на признак и тем меньше будет селекционный эффект. Предел отбора
быстрее наступает в малочисленных популяциях. Между отдельными группами
особей (линиями) в популяции наблюдается различная реакция в наступлении
селекционного предела: у одних - быстрая, у других — отсутствует. Появление
мутационных изменений в генотипах особей популяции увеличивает
генетическую изменчивость и препятствует наступлению предела отбора.
Мутационный процесс, возникший, например, в первом поколении, усиливает
влияние на популяцию, создает новые генетические условия для отбора на
приспособленность и тем самым увеличивает ответ селекции при длительном
отборе. Возникающие мутации неограниченно продлевают ответ на отбор, что
указывает на отсутствие селекционного предела. Такое заключение делает
известный специалист области генетики и селекции Д. С. Фальконер,
основываясь на теории и исследованиях В. Хилла (1982). Это заключение очень
важно для практики, так как устраняет тезис об обязательных селекционных
тупиках и расширяет творческие возможности селекционера.
Влияние мутационного процесса на генетическую структуру популяции.
Появление нового мутантного гена вызывает изменение частоты исходного
гена. Например, ген А мутирует в ген а, а это снижает частоту аллеля А. На
частоту аллелей будет оказывать влияние как прямое мутирование А→а, так и
обратное, то есть а→А. Каждый новый мутант имеет начальную частоту, равною
1/2 N (где N —Численность популяции).
Мутантные гены могут оказывать разное влияние на организм, так как могут
быть вредными, полезными или нейтральными.
Комплекс действия разных мутантных генов влияет на степень
приспособленности организмов. Как показал Н. П. Дубинин (1934 — 1937),
процесс мутирования и мутабильность организмов имеют адаптивное значение
для популяции. Темп мутирования у млекопитающих определяет частоту
мутации приблизительно 1 на 100 — 500 гамет. Судьба мутантного гена в
популяции зависит от его состояния (доминантности или рецессивности), от
характера его действия (летального, полулетального, нейтрального), от
характера изменений, вызываемых мутантным аллелем (морфологическим,
биохимическим), от взаимодействия с другими генами.
В больших популяциях мутантный рецессивный ген дольше сохраняется в
гетерозиготном состоянии, а в малых популяциях он быстрее переходит в
гомозиготное состояние и подвергается воздействию отбора, который либо
устраняет гомозиготный генотип аа, либо содействует его сохранению. Темп
мутации варьирует у разных генов и особей. В каждом поколении происходит
появление множества различных новых генетических аллелей. Мутационный
процесс, затрагивающий перестройки хромосом, еще больше увеличивает
генетическую изменчивость в популяции
Судьба генных и хромосомных мутаций зависит от влияния отбора, силы его
давления и направления. В популяциях, подвергающихся искусственному
отбору, мутационный процесс может усиливаться и закрепляться
направленным отбором, проводимым человеком. В результате появляются
новые морфологические особенности у животных данного вида, которые
человек закрепляет селекцией, формируя породы или породные группы. Такой
процесс использования мутационной изменчивости в селекционных целях
распространен в пушном звероводстве, декоративном птицеводстве,
аквариумном рыбоводстве, декоративном собаководстве.
Генетический груз. Распространение в популяции скрытых рецессивных генов
создает так называемый генетический груз. Его влияние на популяцию
двоякое. С одной стороны, он служит скрытым источником генетической
изменчивости, которая необходима популяции для возможности непрерывного
приспособления к среде; с другой — может ухудшать приспособленность
особей в результате действия вредных аллелей и снижения жизнеспособности
и плодовитости особей. Ф. Г. Добжанский (1965) предложил считать
генетическим грузом отклонения уровня признаков от адаптивного уровня в
сторону уменьшения его уровня (—2σ). За адаптивную норму принимают
приспособленность гетерозигот (Аа).
Генетический груз может быть мутационным, сбалансированным и
переходным.
Мутационный груз возникает от мутирования доминантного аллеля в
рецессивный, то есть А→а. Чем чаще происходит такой процесс, тем больше
насыщается популяция аллелем а. Отбор противостоит насыщению популяции
рецессивными аллелями, устраняя их через гомозиготные генотипы аа, как менее приспособленные. Общий генетический груз создается суммарным
действием генетических грузов отдельных локусов.
Сбалансированный генетический груз обусловлен влиянием полиморфизма с
преимущественным сохранением генотипов в гетерозиготном
состоянии (АВ>АА и ВВ) и при проявлении
сверхдоминирования (Аа>АА). Следовательно, при сбалансированности
генетического груза в генотипах АВ или Аа гетерозиготные особи проявляют
более высокую приспособленность к условиям среды, что повышает их
жизнеспособность. Это подтверждает положительное действие полиморфного
состояния локусов многих ферментных белков, расширяющих приспособленность организмов, так как гетерозигота обладает большей возможностью
реакции на разнообразие условий среды.
Переходный генетический груз обусловлен тем, что адаптивный аллель может
утрачивать эти свойства в определенных условиях, а действие нового аллеля
еще не достигло адаптивного уровня. Тогда генетический груз создается за счет
присутствия исходного аллеля.
Генетический груз может играть положительную роль при искусственном
отборе, так как является источником генетической изменчивости, способствует
накоплению генотипов, более приспособленных к новым факторам среды
(например, к новой технологии производства) или соответствующих специфике
селекционного процесса (сохранение желательных рецессивных генотипов).
Дрейф генов. Это особый процесс, который наблюдается в изолированных
популяциях при ограниченной численности ее членов. На фоне
малочисленности особей вступает в силу влияние случайных причин на частоты
аллелей. Чем меньше численность особей в популяции, тем больше колебания
в уровне частот аллелей в поколениях и нарушение генного равновесия по
Харди — Вайнбергу. Это особенно проявляется, если в популяции число особей
менее 500.
В малых популяциях дрейф генов может привести к полной утрате какого-либо
аллеля и довести локус до мономорфного состояния по другому аллелю этого
локуса. В таких популяциях может возрастать частота нежелательного аллеля;
его устранение затрудняется еще и тем, что происходит повышение
гомозиготности, возникающее в результате неконтролируемого (или
вынужденного) инбридинга. Поэтому при проведении селекционной работы в
малых популяциях дрейф гена может оказать отрицательное действие, и это
должно быть учтено в селекции.
Влияние миграции особей на генетическую структуру популяции. В природных
популяциях, а также при разведении домашних животных может происходить
миграция особей, то есть переход особей из одной популяции в другую. Это
вызывает усреднение концентрации аллелей, а скорость этого процесса прямо
пропорциональна численности мигрирующих особей, то есть чем больше
миграция особей, тем больше усреднение концентрации аллелей. С влиянием
такого процесса селекционер особенно часто встречается в современном
животноводстве, когда распространен перевоз животных из популяции одной
страны (или стада) в популяцию другой в целях ускоренного совершенствования
аборигенной породы путем скрещивания с племенными производителями
улучшающей породы.
Влияние скрещивания и инбридинга на генетическую структуру популяции.
Любое скрещивание способствует образованию гетерозиготных генотипов и
включению в популяцию новых аллелей и генотипов; при этом происходит
изменение частот аллелей, меняется структура генотипов и их соотношение,
утрачивается генное равновесие, повышается комбинативная изменчивость,
особенно при скрещивании контрастных между собой пород и при
межвидовом скрещивании. Возникают новые свойства и признаки, которые
сохраняются человеком в процессе селекции.
Скрещивание приводит к гетерозиготности, при которой проявляется гетерозис
в первом поколении помесей или гибридов, если скрещиваются животные
разных видов. Помеси и гибриды обладают гетерозиготным состоянием
генотипов по большинству локусов. Гетерозиготность помесей и гибридов
первого поколения способствует повышению продуктивности и
жизнеспособности. При разведении помесей сила гетерозиготного эффекта в
поколениях снижается, так как в популяции может уменьшаться доля
гетерозигот и увеличиваться численность гомозиготных организмов.
При спаривании родственных самцов и самок генетическая структура в
популяции потомства изменяется в сторону повышения гомозиготности и
снижения гетерозиготности. Соотношение частот генотипов у потомства уже не
будет выражаться уравнением Харди — Вайнберга в виде p2AA + 2pAqa + q2aa; под
влиянием инбридинга происходит уменьшение доли гетерозигот Ааи
увеличение доли гомозигот АА и аа, и структура популяции поэтому будет иной.
Для определения частоты генотипов при инбридинге в формулу Харди —
Вайнберга вводится показатель величины инбридинга, выраженный с помощью
коэффициента инбридинга F.
Если инбридинг повторяется в ряде поколений, то коэффициент инбридинга
увеличивается, а при этом уменьшается доля гетерозиготных генотипов в
инбридированных поколениях.
Рассмотренное действие комплекса факторов (отбор, мутационный процесс,
дрейф генов, миграция, численность популяции, методы разведения) указывает
на их влияние на структуру популяции, соотношение частот аллелей и
генотипов. Утрачивается равновесие генов, изменяются фенотипические характеристики у особей популяции. С этими динамическими изменениями в
генетической структуре популяции селекционеры встречаются систематически в
практике племенной работы. Задача селекционера состоит в необходимости
выявлять действие того или иного фактора на популяцию (стадо, породу).
Особенно должно учитываться влияние длительного и тесного инбридинга,
способствующего появлению нежелательных фенотипов, снижению
жизнеспособности и воспроизводительной функции.
Селекционер должен знать, что даже выбраковка из стада животных —
носителей вредных аллелей не очищает стада, так как гетерозиготные генотипы
являются источником, который пополняет распространение гомозиготных
рецессивных генотипов. Поэтому важно, чтобы селекционер выявлял носителей
вредных аллелей, прослеживая появление этих аллелей от конкретных особей,
проводя анализы родословных и родственных связей. Работа по освобождению
стада от вредных аллелей должна осуществляться систематически в ряде
поколений.
Генетическая ревизия особенно важна при широком использовании
искусственного осеменения и при уменьшений численности производителей,
повышенной интенсивности их использования, что типично для современного
животноводства.
Контрольные вопросы. 1. Основные свойства генетической (панмиктической)
популяции. 2. Какими параметрами характеризуется генетическая структура
популяции? 3. Методы изучения популяций. 4. Что такое чистые линии и их
особенности? 5. Закон Харди — Вайнберга. 6. Каковы причины нарушения
генного равновесия? 7. Типы отбора и их влияние на генетическую структуру
популяции. 8. Влияние мутационного процесса на генетическую структуру
популяции.
ГЛАВА 14. ИНБРИДИНГ,
ИНБРЕДНАЯ ДЕПРЕССИЯ И ГЕТЕРОЗИС
При проведении племенной работы с сельскохозяйственными животными
важную роль играют методы разведения и принципы подбора пар самцов и
самок. Спариваемые особи могут быть родственными друг другу или не иметь
родства между собой.
Спаривание родственных между собой самцов и самок называется инбридингом. Потомство, полученное в результате родственного
подбора, называют инбредным. Спаривание неродственных животных
называют аутбридингом. Родство между животными означает, что они имеют
одного или нескольких общих предков. В результате этого инбредные
животные имеют между собой и с родителями определенное генетическое
сходство, в частности по составу аллелей в их генотипе. Поэтому в результате
спаривания родственных, а следовательно, и сходных между собой животных у
их потомства происходит накопление аллелей и генотипов того предка,
который является общим для спариваемых родственных особей. Инбридинг
приводит к повышению частоты гомозиготных генотипов у потомков и
снижению частоты гетерозиготных генотипов при сохранении частот аллелей.
Родственное спаривание сопровождается снижением генетической
изменчивости.
Наиболее близкородственной формой размножения в животном мире является
самооплодотворение, встречающееся редко у низших филогенетических форм.
У растений такой процесс прослеживается при самоопылении (например, у
гороха, ячменя и др.). В практике животноводства применяют разные типы
инбридинга, когда спаривают близких между собой родственников (отца с
дочерью, мать с сыном, брата с сестрой); это называется кровосмешением.
Другая группа подбора при инбридинге — это разведение в близком родстве,
когда спариваются менее близкие родственники: полубрат — полусестра,
бабушка — внук, внучка — дед, и еще более отдаленные родственники, то есть
разведение в умеренном и отдаленном родстве.
Биологические особенности действия инбридинга. Использование инбридинга
человеком при разведении животных осуществлялось бессистемно с давних
времен. Было замечено, что спаривание родственных животных
сопровождается нежелательными особенностями у инбредного потомства, так
как часто сопровождается снижением его жизнеспособности, плодовитости,
рождением уродов или мертворождениями. Комплекс отрицательных
последствий инбридинга получил название инбредной депрессии.
Чем ближе родство между спариваемыми особями и чем дольше в поколениях
происходит инбридинг, тем сильнее проявляется инбредная депрессия.
Несмотря на действие инбредной депрессии этот метод используют как путь
закрепления в поколениях желательных качеств ценного животного, на которое
ведется инбридинг, то есть происходит повышение генетического сходства
потомков с выдающимся предком,
Таким образом, для инбридинга характерны две особенности: он вызывает
инбредную депрессию в той или иной силе проявления, а с другой стороны,
способствует накоплению в поколениях генетического сходства с ценным
предком.
Впервые объяснение инбредной депрессии дал Ч. Дарвин, Он сформулировал
общебиологический закон «О пользе скрещивания и вреде длительного
разведения в родстве». Инбредную депрессию Ч. Дарвин объяснял
накоплением у потомства сходной наследственности у половых клеток
родственных животных.
В XX в. проявление инбредной депрессии объяснялось тем, что инбридинг
вызывает у инбредного потомства повышение гомозиготности и переход
рецессивных летальных или полулетальных генов в такое гомозиготное
состояние, которое приводит к гибели или снижению жизнеспособности
инбредного потомства в эмбриональный или постэмбриональный период.
Несмотря на возможное проявление инбредной депрессии, инбридинг нашел
применение при создании новых пород или закреплении в породе
наследственности выдающихся животных,
Было замечено, однако, что степень реагирования на инбридинг неодинакова у
животных разных видов. Более выраженная инбредная депрессия наблюдается
у птицы, свиней, в меньшей степени — у овец, крупного рогатого скота. У
некоторых групп животных даже при длительно проводимом инбридинге в
ряде поколений инбредная депрессия не наблюдалась и можно было создавать
так называемые инбредные линии.
Высказано предположение, что в этом случае происходит формирование
толерантности к инбредной депрессии, обусловленное особенностями
естественного и искусственного отбора, благоприятствующими условиями
среды и возможным возникновением новых мутантных изменений,
способствующих созданию толерантности в ряде поколений. Инбредная
депрессия сильнее проявляется у признаков, которым свойственны полигенный
тип наследования и низкая наследуемость,
С конца XVIII — начала XIX в. инбридинг широко использовали крупные
селекционеры при создании новых пород животных. В Англии он был применен
фермером Р. Бэквеллом при выведении ценных пород овец, свиней и крупного
рогатого скота. Братья Коллинги использовали тесный инбридинг при выведении шортгорнской породы мясного скота. В этот же период в России
коннозаводчики А Г. Орлов и В. И. Шишкин создали знаменитую орловскую
рысистую породу лошадей с применением тесного инбридинга. Заводчик М. М.
Щепкин выводил породу свиней, применяя инбридинг и выбраковку
молодняка. В XX в. М. Ф Иванов разработал теорию создания новых пород
свиней с использованием тесного инбридинга в ряде поколений, сочетая это с
отбором животных крепкой конституции и устраняя выбраковкой животных
нежелательного типа.
В современном птицеводстве тесный и длительный инбридинг применяют в
целях получения наиболее консолидированных инбредных линий птицы,
которые затем кроссируют между собой для получения так называемой
гибридной птицы племенного и пользовательного типов.
Для уменьшения инбредной депрессии применяют комплекс мер как в
отношении исходных родительских пар, находящихся в родстве, так и путем
воздействия на инбредное потомство. Так, например, выращивают
родственных самцов и самок до спаривания в разных условиях или на время
передают производителей в другие хозяйства. Среди инбредного потомства
проводят тщательную выбраковку. Для инбридинга используют гетерозиготных
производителей. Из инбреднаго потомства оставляют для дальнейшего
размножения животных, получивших наиболее высокую оценку плодовитости,
продуктивности и препотентности в передаче ценных свойств потомкам.
Система выявления и оценка степени инбридинга. В практике животноводства
инбридинг применяют как при чистопородном разведении, так и при
межпородном скрещивании. При этом степень родства между спариваемыми
животными разнообразна.
В современной селекции приняты следующие схемы и терминология
инбридинга.
родственное разведение — инбридинг,
использование родственного разведения в нескольких поколениях — ин-эндинбридинг;
кровосмешение (близкородственное разведение) — клозе-бридинг;
спаривание животных из разных инбредных линий одной породы —
инбредлайнкроссинг;
спаривание животных из близкородственных линий — стра-инкроссинг;
спаривание инбредных самцов с неинбредными самками — гопкроссинг;
скрещивание инбредных самцов с неинбредными самками другой породы —
топкроссбридинг;
скрещивание инбредных самцов одной породы с инбредны-ми самками другой
породы — инкроссбридинг;
спаривание инбредных маток с аутбредными самцами — боттомкроссинг
Способы количественного учета и схематического изображения степени
инбридинга у потомка разнообразны, но все они в своей основе исходят из
данных, характеризующих происхождение, то есть родословную потомка.
Наиболее распространен в практике учет инбридинга, предложенный
Шаноружем (1909). По этому методу учитывается число рядов поколений,
отделяющих потомка от предка, на которого осуществлен инбридинг. Начиная
от ряда родительского поколения, обозначаемого римской цифрой I, далее
каждый последующий ряд записывается как П, III, IV и т. д. Повторяющийся
предок в родословной потомка со стороны матери и отца записывается с
указанием ряда поколений, в которых он присутствует по материнской и
отцовской стороне родословной. Например, если потомок (А), или пробанд,
произошел от спаривания деда (В) с внучкой (Б) (см. схему), то, по Шапоружу,
инбридинг у потомка А на деда В будет записан как III—I, то есть дед В
присутствует со стороны матери потомка в III, а со стороны отца в I ряду, то есть
имело место близкое родство.
Пробанд А
Мать Б
Отец В
Б
цВ
Мать матери
Отец матери
матери
МММ
ОММ
MOM
ООМ В
Мать отца
Отец отца
отца
отца
ММО
ОМО
МОО
ООО
ООМ В
Более точный метод определения степени инбридинга был разработан С.
Райт|ом (1921) на основании принципа путевого анализа. Для этого была
предложена формула коэффициента инбридинга. Позднее профессором Д. А.
Кисловским в формулу Райта было внесено уточнение, что делает вычисление
более удобным.
Формула Райта — Кисловского представляет коэффициент инбридинга F в виде
дроби в границах от 0 до 1 (или в %). В формуле учитывается величина
наследственности, получаемой потомком от одного из родителей, равная 0,5, а
также число рядов предков по матери — п1 и по отцу — п2, в которых
присутствует предок, на которого ведется инбридинг:
Если потомок инбридирован на нескольких предков, которые, в свою очередь,
могут быть инбредными, то формула усложняется.
где fa — величина коэффициента инбридинга предка, который был сам
инбридирован, a Σ — это знак суммирования по всем предкам, на которых
заинбридированы потомки
В приведенном выше примере коэффициент инбридинга для пробанда А
достигает.
Чем больше величина F приближается к единице (или 100%), тем сильнее
инбридирован потомок на предка, тем больше у потомков можно ожидать
проявления инбредной депрессии и тем более вероятность повышения
гомозиготности потомка по генам предка. Коэффициент инбридинга не указывает в абсолютных цифрах или в процентах, насколько гомозиготен потомок; он
только свидетельствует о вероятности того, насколько примененный
родственный подбор увеличит гомозиготность потомка по сравнению с
исходным состоянием генотипа.
У животных с высокой степенью гетерозиготности инбридинг усиливает
гомозиготность значительно быстрее, чем у животных, уже имевших
значительную гомозиготность до инбридинга.
Уровень гомозиготности потомка зависит от того, были ли его родители
гетерозиготны или гомозиготны.
Так, если отец потомка был гомозиготен и на него проводится инбридинг, то
гомозиготность потомков от такого отца резко повышается и уже во втором
поколении составляет 0,75 (или 75%), а в третьем — 0,875 (или 87,5%). Если же
отец потомка имел гетерозиготный генотип, то при инбридинге, когда он
спаривается с дочерью, гомозиготность потомка не повышается, а остается
даже при дальнейших спариваниях на прежнем уровне, близком к 0,5, но при
этом усиливается генетическое сходство потомков следующих поколений с
родоначальником инбредной группы. Использование гетерозиготных
производителей — наиболее перспективный вариант инбридинга при
проведении племенной работы в стаде, так как он не сопровождается
депрессией у потомка, но обеспечивает * более стабильное сходство с ценным
предком.
Этот процесс можно проследить по следующей схеме. Допустим, что генотип
производителя, на которого планируется вести инбридинг, гетерозиготен по
двум локусам (АаВb). При спаривании самца АаВb с самками aabb у потомства
первого поколения будут формироваться генотипы, типичные для анализирующего скрещивания в соотношении 1:1:1:1, а
именноАаВЬ+Aabb + aaBb + aabb. Из этого следует, что 25% потомков будут
иметь гетерозиготный генотип, сходный с предком, то есть АаВb. Если
повторить спаривание потомков с тем же гетерозиготным предком АаВb, то у
потомков второго поколений гомозиготность останется на том же уровне, что и
в первом поколении (то есть 50%), количество потомков, имеющих сходный с
предком генотип АаВb, возрастет и составит 39%. Следовательно, доля
потомков, сходных по генотипу с отцом, на которого проведен инбридинг,
существенно увеличится, что будет соответствовать целям селекции.
Количественное соотношение степени инбридинга, определенное по Шапоружу
и Райту — Кисловскому, приведено в табл. 37.
Наиболее сильное проявление инбредной депрессии можно ожидать с 1-го по
6-й вариант, а с 7-го по 15-й депрессия наблюдается редко или в
незначительной степени.
Родство с 7-го по 15-й вариант будет сопровождаться незначительным
увеличением гомозиготности, но в данном случае гарантируется генетическое
сходство потомка с предком, на которого заложен инбридинг. Это свойство
инбридинга имеет практическое значение для племенной работы. В
селекционном процессе, направленном на улучшение стада или породы, необходимо осуществить подбор таким образом, чтобы нарастало генетическое
сходство потомства с выдающимся предком, что и достигается применением
инбридинга.
Если повторяющийся предок встречается только по одной стороне родословной
(материнской или отцовской), то инбридинг не ведет к повышению
гомозиготности потомка и поэтому формула Райта в данном случае
неприменима, Подбор с использованием одностороннего инбридинга
усиливает генетическое сходство потомка с предком.
Формула, предложенная Райтом для вычисления степени возрастания
генетического сходства между двумя сравниваемыми животными, такова:
где Rxy — коэффициент генетического сходства между животными х и у; п1 и п2 —
число поколений от данных животных до общего предка по женской и мужской
стороне родословной; fx иfy — коэффициенты возрастания гомозиготности для
животных х и у; fa — тот же коэффициент для общего инбридированного предка.
Величина Rxy указывает на возможное, а не на фактическое возрастание
генетического сходства в результате определенного инбридинга.
Коэффициент генетического сходства дочери (или сына) с отцом (или матерью)
составляет 50%, так как гаметы каждого из родителей вносят в зиготу половину
наследственности. Между внуком (внучкой) и дедом (бабкой) величина R составляет только 25%, между полными сибсами Rxy —50%, а между
полусибсами Rxy=25%.
Чем больше поколений включает родственное спаривание, тем выше уровень
гомозиготности и инбридинга.
Умеренный инбридинг, повторенный в нескольких поколениях, не
сопровождается значительным повышением гомозиготности, но способствует
увеличению генетического сходства с выдающимся предком. В качестве
примера можно привести потомство известного быка Фаворита шортгорнской
породы. Его потомство, полученное через 12 лет после выбытия Фаворита,
имело высокое генетическое сходство с ним, и это соответствовало
величине RXy = 55,2%, что было следствием длительного инбридинга на
Фаворита. Примеров генетического сходства с выдающимся животным
достаточно много.
Так, в XVIII в. в Англии братья Коллинги в результате селекций получили быка
Комета шортгорнской породы, который был инбридирован на четырех
выдающихся предков: быков Фаворита и Фольджамба и коров Феникс и Леди
Майнард, при этом корова Леди Майнард и бык Фольджамб были инбредными
Животными. Коэффициент инбридинга был достаточно высоким (F = 46,87%),
но, несмотря на это, Комет сыграл важную роль в совершенствовании породы.
Тесный и многократный инбридинг был применен в России при созданий орловской рысистой породы лошадей, а также в свиноводстве при выведений
крупной белой породы.
Депрессия может наблюдаться и при так называемом ложном инбридинге,
который является следствием содержания животных в ряде поколений в
одинаковых, часто изнеживающих условиях. В целях устранения депрессии при
истинном и ложном инбридинге целесообразно периодически содержать
животных, намеченных к спариванию, в различных условиях, что способствует
формированию некоторого биологического несходства гамет самцов и самок.
Этот прием называют интербридингом.
Гетерозис, Родственное спаривание сопровождается инбредной депрессией,
повышением гомозиготности инбредного потомства и увеличением
генетического сходства потомка с предком. Противоположными
биологическими и генетическими свойствами обладает гетерозис.
Под гетерозисом понимают превосходство потомства первого поколения над
родительскими формами по жизнеспособности, выносливости, продуктивности,
возникающее при скрещивании разных рас, пород животных, зональных типов.
Явление гетерозиса, или «гибридной силы», было замечено в практике
животноводства в давние времена, в частности при получении мулов
скрещиванием осла с кобылой. Ч. Дарвин впервые дал научное объяснение
«гибридной силы», которая возникает у потомства при скрещивании
неродственных организмов. Он объяснял этот эффект биологическим
несходством мужских и женских гамет, которое вызывается влиянием различий
окружающей среды, в которой обитают родители.
Термин «гетерозис» был введен Г. Шеллом (1914), который объяснял наличие
«гибридной силы» состоянием гетерозиготности в генотипе организма,
формирующейся в результате скрещивания. Гипотеза гетерозиса,
сформулированная Г. Шеллом, Е. Истом и X. Хейсом, объясняет явление
гетерозиса наличием гетерозиготности различных локусов и проявляющимся
при этом сверхдоминированием, то есть когда действие гетерозиготы Аа на
проявление фенотипа оказывается сильнее, чем гомозиготного доминантного
генотипа АА (то есть эффект действия Аабольше действия АА). Значение
гетерозиготности было подтверждено работами Н. П. Дубинина, М. Лернера и
других ученых.
Другое объяснение гетерозиса, сформулированное Кийблом и Пеллью (1910),
основано на том, что при скрещивании организмов, несущих в генотипе разные
гомозиготные гены, напримерААbb и ааВВ, у помесного потомства рецессивные
аллели переходят в гетерозиготную форму генотипа АаВb, при которой
устраняется вредное действие рецессивных генов. Влияние доминантных генов
на проявление гетерозиса может быть объяснено простым суммарным
действием большого количества доминантных генов, то есть имеет место
аддитивный эффект.
К. Давенпорт (1908) и Д. Джонс (1917) предложили объяснять гетерозис исходя
из гипотезы взаимодействия неаллельных доминантных генов обоих
родителей, что дает суммарный эффект, вызывающий гетерозис.
Д. А. Кисловский разработал гипотезу облигатной гетерозиготности. Он считал,
что в организме имеются полезные (доминантные) и вредные (рецессивные)
гены, Если они находятся в гетерозиготном состоянии, то их действие вызывает
гетерозис, Если облигатно-гетерозиготные гены находятся в гомозиготном
состоянии, то они действуют неблагоприятно Гипотеза облигатной
гетерозиготности была, затем развита В. А. Альтшулером, В, Я. Борисенко, А. Н.
Поляковым, Они исходили из эволюционной роли такой гетерозиготности. В
процессе эволюции полезные гены сохраняются в гетерозиготном
доминантном состоянии» а вредные гены — в рецессивном
Выявлен экологический тип гетерозиса (Меркурьева и сотр., 1980), который
вызывается процессом акклиматизации и проявляется у животных первой
экологической генерации. Этот тип гетерозиса проявился в повышенной
молочности потомства, родившегося в Рязанской области от айрширских коров,
завезенных из Финляндии. В последующих поколениях удои снижались до
уровня, соответствующего генетическому потенциалу завезенной группы коров.
Современные представления о причинах появления гетерозиса основаны на
том, что гетерозис является результатом взаимодействия многих генов. Их
множественное действие и приводит к гетерозисному эффекту. Такое
объяснение получило название балансового гетерозиса (Добжанский, 1952). В
дальнейшем Лернер (1954), Н. В. Турбин (1961—1968) продолжили разработку
этого положения. Согласно их утверждениям гетерозис обусловлен действием
многих генов, взаимно сбалансированных в геноме в процессе эволюции,
которая определяет оптимальное развитие и приспособленность организма к
условиям среды.
Если при скрещивании происходит объединение оптимальных геномов обоих
родителей, то у потомков первого поколения возникает наиболее
благоприятная ситуация в комбинации геномов, что и приводит к проявлению
гетерозиса. Следовательно, гетерозиготность, сопутствующая скрещиванию,
претерпевает давление различных факторов и тем самым создается
сбалансированное взаимодействие генов в геноме,
В практике животноводства иногда наблюдается так называемый
отрицательный гетерозис, когда у потомства уровень признака ниже среднего
показателя родителей, но несколько выше уровня признака того из родителей,
у которого он развит слабее. Чем выше различия в уровне признака
родительских форм, тем больше приближается средний уровень признака
потомков к уровню признака худшего родителя. Эта особенность в
наследовании описана Я. Л. Глембоцким в отношении настрига шерсти у
помесей, полученных от скрещивания коз ангорской породы с грубошерстными
козами, Настриг шерсти у помесей первого поколения был несколько большим,
чем у грубошерстных, но значительно меньше, чем у ангорских коз, у которых
он был в 4—5 раз больше по сравнению с грубошерстными и помесными
козами.
Для современного животноводства характерно использование скрещивания,
сопровождающегося гетерозисным эффектом, особенно для яичного и
бройлерного птицеводства. Эта система включает два основных этапа:
выведение инбредных линий птицы с применением разных типов инбридинга и
скрещивания (кроссирования) линий для получения так называемой гибридной
птицы, у которой проявляется гетерозис. Например» в Нидерландах фирма
«Еврибрид» работает с двумя кроссами кур яичного направления: «Хайсекс
белый» (белая скорлупа, на базе леггорнов) и «Хайсекс коричневый» (при
участии род-айланд и нью-гемпшир с коричневой скорлупой). Эти два кросса
занимают ведущее положение в мировом яичном птицеводстве.
Работу по созданию гибридной яичной и мясной птицы проводят и в нашей
стране. Для осуществления селекции на получение гетерозиса выводят
инбредные линии путем спаривания по типу «брат × сестра» в течение 3 — 4
поколений и более, сочетая это с жесткой выбраковкой нежелательных особей.
Из большого числа заложенных линий к финалу остается около 10—15% линий
при коэффициенте инбридинга в среднем на уровне 37,5% (спаривание полных
сибсов в течение трех поколений). Далее скрещивают оставшиеся линии между
собой для проверки их на сочетаемость, затем оставляют для производственного кроссирования наиболее удачные сочетания и получают 2-, 3-, 4линейные гибриды.
Использование эффекта гетерозиса находит применение и в работе с другими
видами животных, особенно в мясном скотоводстве, овцеводстве,
верблюдоводстве, рыбоводстве. Методы получения эффекта гетерозиса
разнообразны. Гетерозис проявляется при межвидовом скрещивании
животных: получение мулов от скрещивания осла с кобылой, выведение новых
гетерозисных пород путем получения гибридов от скрещивания крупного
рогатого скота с зебу (санта-гертруда, бифмастер, чарбрей, бридфорд — в США;
сан-пауло — в Бразилии; хауп-голштин — на Ямайке). В нашей стране
отдаленная гибридизация проведена между тонкорунными овцами и архаром
и выведена новая порода — архаромеринос. В Киргизии и на Алтае получены
гибриды яка с симментальским скотом.
Отдаленная гибридизация сопровождается проявлением гетерозиса по ряду
хозяйственно ценных признаков.
Проблема получения и усиления эффекта гетерозиса до конца не решена.
Основным непреодоленным препятствием является утрата гетерозисного
эффекта во втором поколении, то есть гетерозис, полученный в первом
поколении, не закрепляется, а утрачивается в последующих поколениях при
разведении помесей «в себе». Некоторые методы позволяют поддерживать
гетерозис в нескольких поколениях. Одним из наиболее доступных и
результативных методов служит переменное скрещивание, применяемое в
пользовательном (товарном) животноводстве. При этом из помесей первого
поколения, полученных от скрещивания маток породы А с производителями породы В, выделяют лучшую часть маток и скрещивают их с производителем
породы С, получают помесей второго поколения, с проявлением гетерозиса при
сочетании трех пород (А, В, С). Далее помесей второго поколения можно
скрещивать с производителем породы D и получать более сложных помесей, в
которых представлена наследственность исходной материнской породы А и
наследственность отцовских пород В, С и D. Иных методов, позволяющих
сохранить эффект гетерозиса, в животноводстве не разработано.
В практике современного животноводства доказано, что эффект гетерозиса
многообразен и выражается в улучшении ценных хозяйственных признаков.
Основными показателями гетерозиса являются повышение эмбриональной и
постэмбриональной жизнеспособности; снижение затрат корма на единицу
продукции; повышение скороспелости, плодовитости, продуктивности;
проявление более широких возможностей приспособления к смене условий и
новым элементам технологии. Широкий диапазон гетерозисного эффекта,
проявляющийся в многообразии реагирующих признаков, является отражением
физиологических и биохимических процессов, обусловленных особенностями
генетического аппарата гетерозисных животных.
Исследования по выяснению биологических основ гетерозиса проводились в
Институте экспериментальной биологии АН Казахской ССР с 1962 г. под
руководством академика Ф. М. Мухаметгалиева. Результаты исследований
обобщены в монографии А. С. Сарсенова (1982), которая может служить
дополнительным материалом для понимания гетерозиса и эффекта скрещивания. В процессе работы определено количество ДНК, РНК, белков и активность ряда ферментов в тканях и в субклеточных структурах клеток (ядра,
хромосом) чистопородных и помесных овец. Были выявлены особенности
обменных процессов и гетерозис у животных, различающихся по происхождению. Оказалось, что гетерозисный эффект не связан с изменением
количества наследственного вещества в отдельно взятой клетке, ядре или
хромосомах. Скрещивание не вызывает у помесей активацию ранее неактивных
генов, полученных через хромосомы родителей, и не приводит к коренной
перестройке обменных процессов. Вместо этого наблюдается лишь стимуляция
уровня напряженности метаболических процессов. В процессе онтогенеза это
напряжение снижается и уменьшается эффект гетерозиса у помесей.
Биохимический эффект гетерозиса у помесей проявился в стимуляции
активности тканевых ферментов (ДНК-азы, РНК-азы и др.), которые влияют на
синтез нуклеиновых кислот. Активность ферментов у помесей протекает в более
широком диапазоне рН среды, что повышает экологическую пластичность
помесных организмов и приспособленность к условиям среды. Следовательно,
скрещивание влияет на механизм регуляции активности ферментов.
Синтез РНК в клеточном ядре и трансляция направляемого РНК синтеза молекул
белка в цитоплазме протекают у помесей на более высоком уровне. Этому
способствует обогащение ядер клеток негистоновыми белками хроматина,
который является специфическим стимулятором активности генома.
Следовательно, скрещивание стимулировало синтез рибосомальной РНК, то
есть усилило процесс транскрипции. Высказывается гипотеза, что с помощью
биологически активных веществ (гормонов, метаболитов), которые могут влиять
на активность генетического аппарата, можно продлить действие гетерозиса в
течение более продолжительного отрезка онтогенеза.
Существуют и другие биохимические объяснения гетерозиса. Считается, что
главной причиной гибридной мощности служит формирование на хромосомах
чувствительных копий структурных генов, которые образуют избыток
информации в клетках и определяют высокую сочетаемость процессов
метаболизма (Северин, 1967).
Объяснения гетерозисному эффекту можно найти в суждениях, что у помесей
присутствуют полиморфные типы белков (изоферменты), которые различаются
некоторыми свойствами.
У родительских форм отсутствует полиморфизм ферментов, а при их
скрещивании у помесей формируется полиморфизм и число полиморфных
локусов у них поэтому больше, чем у родителей. Это, по мнению некоторых
ученых (Финчем, 1968; Кирпичников, 1974), объясняет эффект
сверхдоминирования. Ф. М. Мухаметгалиев (1975) считает, что взаимное
стимулирование геномов при оплодотворении равносильно аддитивному
эффекту объединенных генетических систем и является основой появления
гетерозиса, но не является причиной возникновения новых качеств в
генетическом материале, поэтому гетерозис проявляется в количествнных
изменениях признаков и имеет полигенный тип наследования.
Новый подход в объяснении гетерозисного эффекта предлагает В. Г. Шахбазов
(1968). Он считает, что гетерозис имеет биофизическую основу, так как при
оплодотворении происходит обмен электрическими зарядами гомологичных
хромосом, что повышает активность хромосом в гибридных зиготах. Это приводит к накоплению кислых белков и РНК, повышает ядрышко-ядерное
соотношение и увеличивает скорость митотического деления.
Приведенные объяснения причин гетерозисного эффекта указывают на
отсутствие единства в научном объяснении явления гетерозиса, и поэтому
проблема остается для дальнейшего изучения и рассмотрения. Несмотря на это,
в практике животноводства осуществляют приемы селекции животных на закрепление и усиление эффекта гетерозиса. Существует несколько приемов для
вычисления величины эффекта гетерозиса. Выделяют так называемый
истинный тип гетерозиса, который определяется по величине превосходства
признака у помесных животных над обоими родительскими формами. Другой
тип гетерозиса — гипотетический, когда признаки помесного потомства
превосходят среднеарифметический уровень признака обоих родителей.
Если отсутствуют данные по одной из пород, от которых получены помеси, то их
показатели сравнивают с материнской породой, а улучшенные показатели
помесей называют не гетерозисом, а эффектом скрещивания.
Обобщая современное понимание явлений инбредной депрессии и гетерозиса,
можно сделать выводы о необходимости использования обоих явлений в
практической племенной работе.
Контрольные вопросы. 1. В чем проявляются биологические и генетические
свойства инбридинга? 2. Методы оценки степени инбридинга. 3. Суть теорий,
объясняющих явление инбредной депрессии. 4. Типы инбридинга,
используемые в животноводстве; их терминологические названия. 5. Теории,
объясняющие гетерозис. 6. Как используют явление гетерозиса в практике
животноводства? В составе современной биологии иммунология оформилась и
развивается как самостоятельная наука. Объектом ее изучения служит
способность организмов проявлять иммунитет, то есть реагировать в виде
неспецифической или специфической реакции на воздействие чужеродных для
него веществ (антигенов), проникших в организм. В основе иммунологических
методов исследований положено определение реакции клеточных элементов
иммунной системы — лейкоцитов, которые синтезируют защитные белковые
вещества — антитела — или осуществляют разрушение чужеродных элементов.
В основе процесса иммунной защиты лежат генетические особенности клеток
защитной системы. В связи с этим в иммунологии интенсивно осуществляется
разработка генетических основ иммунитета, выявляется генетика элементов
защиты и биосинтеза антител (то есть иммуноглобулинов).
Краткая история развития иммунологии. Потребность защищать людей и
животных от болезней сопровождалась поисками эффективных приемов. В
Англии в 1774 г. для предупреждения заболевания человека оспой применили
обработку кожи человека веществами из пустул коровы, болеющей оспой.
Научно обоснованные исследования были проведены И. И. Мечниковым (1893),
открывшим явление клеточного иммунитета в виде фагоцитоза, и Луи
Пастером, применившим вакцинацию против бешенства, холеры кур, рожи
свиней, сибирской язвы. Эти ученые заложили основу современной науки по
иммунологии.
В 1897 г. П. Эрлих (1897) разработал принципы биохимического подхода в
понимании процесса иммунитета, основываясь на особенностях строения
антител. Был открыт такой элемент защиты, как комплемент (Борде, 1899).
Наука об иммунитете бурно развивалась в первые десятилетия двадцатого
века.
В дальнейшем с применением методов электрофореза, иммунодиффузии,
позволивших выявлять качественные различия в белковых компонентах,
появилась возможность определять и количественные их уровни. В период
1938—1953 гг. с помощью этих методов выявлена структура антител и
иммуноглобулинов (Потер, 1958), определена аминокислотная
последовательность иммуноглобулинов разных типов (Эдельман, 1959).
Были выявлены патологические иммунные процессы, такие как явление
аллергии (Пирка, 1905), иммунологическая толерантность (Медавар, 1958),
явление тканевой антигенной гистосовместимости (Доссе, 1958), аутоиммунные
антитела и др. Появились доказательства участия некоторых генов в синтезе
иммунных веществ.
Современная иммунология направлена на выявление механизмов иммунного
ответа и его генетической обусловленности. Осуществляются поиски
целенаправленного воздействия на иммунный ответ организма и возможность
его регуляции в целях борьбы или профилактики заболевания.
Иммунология приобрела не только практическое значение для медицины и
ветеринарии; она в значительной степени становится необходимым элементом,
создающим научное обоснование для животноводства, в частности в
биотехнологии воспроизведения и при проверке правильности записей о
происхождении животных. Так, например, выяснена иммунологическая основа
процесса оплодотворения и обеспечения нормального эмбрионального
развития потомства. Установлены иммунологические причины патологии этих
процессов. Показано, что для нормального постэмбрионального развития
животного важное значение имеет генетическая обусловленность
иммунологического статуса организма, которая определяется наследственностью его родителей. В формировании иммунного статуса важную роль играют
многие биохимические вещества (например, гормоны и ферменты), которые
несут иммунную информацию и влияют на ход развития организма. Эти
вещества также имеют генетическую обусловленность.
В условиях современной интенсивной технологии воспроизведения потомства
успех такого биотехнологического приема, как пересадка эмбрионов от
высокоценных родителей-доноров в организм самки-реципиента, в
значительной мере определяется иммунными взаимоотношениями всех
участников в создании потомка, а именно: иммунными взаимоотношениями
гамет отца и матери при оплодотворении, воздействием матери на зарождающийся эмбрион, взаимодействием трансплантированного эмбриона с
организмом самки-реципиента. Поэтому знание иммунных процессов,
определение иммунного статуса всех участников биотехнического комплекса в
интенсификации воспроизведения будут определять эффект применяемого на
практике метода пересадки эмбрионов.
Защитная функция. Различают две основные формы защитной функции:
неспецифическую и специфическую, каждая из которых имеет определенные
особенности в защите организма. Вместе с тем между обеими формами защиты
организма существует взаимодействие.
Неспецифическую функцию защиты осуществляют кожа, слизистые оболочки и
их выделения. Дополнительная и важная роль принадлежит реакции
фагоцитоза, при которой специализированные клетки (нейтрофилы, моноциты,
макрофаги) уничтожают внедряющихся микробов, Гуморальными факторами
неспецифической защиты служат белковые (ферментные) вещества:
естественные иммуноглобулины, лизоцим, интерферон, бета-лизий,
пропердин, комплемент и др. Эта группа веществ определенным образом
воздействует на источник инфекций.
Специфическую функцию осуществляют так называемые естественные
(нормальные) антитела или иммуноглобулины. При уменьщении их количества
снижается резнстентность к инфекциям. Естественные антитела являются
ответом иммунной системы на проникновение неизвестного антигена, но
проявляют специфическую реакцию. Специфическая защита проявляется как
реакция организма в виде синтеза специфических веществ (антител) на
проникшие в организм антигены, имеющие различную природу. Специфика
этой защиты проявляется 3 том, что на каждый конкретный антиген лимфоциты
типа В синтезируют в организме специфическое антитело и между ними
происходит взаимная реакция, при которой образуется комплекс антиген —
антитело, приводящий к устранению антигена. В рассматриваемом случае
реакция может быть выражена различным образом: в виде преципитации,
агглютинации или гемолиза.
Организмам разных видов присущ врожденный иммунитет. Примерами
врожденного иммунитета служит невосприимчивость крупного рогатого скота к
сапу, которым тяжело болеют лошади; алжирские овцы не болеют сибирской
язвой; куры породы белый леггорн более устойчивы к пуллорозу, чем куры
пород род-айланд, плимутрок, виандот. Высокой устойчивостью среди птиц
обладают цесарки. Известно, что разные породы собак проявляют разную
чувствительность к вирусу чумы. Более чувствительны и тяжело переносят все
три типа чумы (легочную, кишечную, нервной ткани) немецкая и южнорусская
овчарки и лайки, а фокстерьер и эрдельтерьер более устойчивы и при
заболевании переносят чуму легче и без серьезных последствий,
Следовательно, породная, индивидуальная естественная резистентность и
иммунитет могут быть результатом естественного отбора или направленной
селекции в целях формирования наследственно устойчивого иммунитета.
Естественная резистентность. Кожный покров, слизистые оболочки
дыхательных путей, кишечника, мочеполовой системы и клетки этих тканей
защищают организм путем выделения защитных биохимических веществ.
Важную функцию в защите организма выполняет кровь. В обеспечении защиты
велика роль костной ткани, тимуса, селезенки, печени, лимфатической системы,
клетки которых служат источниками иммунной защиты.
Иммунную роль выполняют различные клетки: Т-лимфоциты тимуса, Влимфоциты костного мозга, макрофаги, нейтро-фильные гранулоциты,
базофилы, эозинофилы и другие типы иммуноцитов.
Основные процессы формирования лимфоцитов определены функцией ряда
органов:
печень плода, в которой образуются стволовые кроветворные клетки предшественники лимфоцитов;
костный мозг — источник В-лимфоцитов. Здесь формируются стволовые клетки,
которые покидают костный мозг в период эмбриогенеза и переходят в
лимфоидные органы;
тимус, в котором формируются Т-лимфоциты; им принадлежит ведущая роль в
становлении клеточного иммунитета, так как они стимулируют синтез антител
В-лимфоцигами. Клетки, покидающие тимус, превращаются в лимфоциты и,
переходя в кровь, обладают полной иммунокомпетентностью. Тимус увеличивается в размерах до периода половой зрелости, а в процессе старения
происходит его физиологическая инволюция;
лимфатические узлы; это вторичные лимфоидные органы, которые улавливают
антигены из лимфы. В ткани лимфоузла встречаются лимфоциты и макрофаги.
Под влиянием проникающих в узел антигенов из лимфоцитов развиваются
иммуно-бласты, из которых образуются иммунокомпетентные лимфоциты,
участвующие в клеточном иммунитете;
селезенка; выполняет роль фильтра для крови, удаляет отработанные клетки
крови и образует новые лимфоциты. У птиц первичным лимфоидным органом
является фабрициева сумка (бурса).
Неспецифический иммунитет включает гуморальные и клеточные факторы.
Гуморальные факторы. К этой группе относят бактерицидную активность крови
(БА), которая объединяет антимикробную активность таких веществ, как
комплемент, пропердин, нормальные антитела, лизоцим, бета-лизин, и
действует на оболочку бактерии, которая разрушается лизоцимом.
Лизоцим — это фермент, молекула которого имеет одну цепочку из 129
аминокислотных остатков. Лизоцим синтезируется в клетках макрофагов и
локализуется в лизосомах. Он широко распространен во всех биологических
жидкостях: в околоплодной жидкости, молозиве, секретах слизистых оболочек,
сыворотке крови, Его защитная роль обусловлена способностью лизировать
оболочку многих видов микробов, особенно из грам-положительной
микрофлоры. Ферментативная активность лизоцима в большей степени связана
с третичной структурой его молекулы. Таким образом, лизоцим является
клеточным фактором неспецифической защиты, а его концентрация в исследуемой жидкости (ткани) служит показателем фагоцитарной активности организма.
Уровень лизоцимной активности обусловлен наследственностью и может
подвергаться селекционному воздействию, повышаясь у животных в различных
линиях, семействах, у потомства разных производителей в результате
селекционного подбора в породе или стаде.
Бета-лизин — это пептид, содержащий большое количество лизина и
синтезируемый тромбоцитами. Он обнаружен в сыворотке крови, слюне,
плазме, в легких, кишечнике, печени и др. Бета-лизин воздействует на
грамположительные микроорганизмы, точнее — на цитоплазматическую
мембрану бактерий, и вызывает их лизис,
Комплемент является сложным белком ферментного типа и состоит из 9
компонентов разного ферментного действия. У птиц в комплемент входят 4
компонента; у лошадей, крупного рогатого скота — 9 компонентов. Комплемент
способен соединяться с комплексом антиген — антитело. Он разрушает
липидную оболочку микроба под действием эстеразного комплекса и
способствует процессу фагоцитоза. Синтез комплемента происходит в клетках
тонкого отдела кишечника, лимфоцитах, клетках селезенки, лимфоузлов,
костного мозга.
Пропердин играет важную роль в естественной неспецифической
резистентности. В его состав входят белок сыворотки крови, ионы магния и
комплемент. Действие его осуществляется совместно с другими защитными
факторами.
Интерферон — неспецифическое противовирусное вещество, синтезируемое
лейкоцитами; действует на разные вирусы и быстро образуется в клетке с
появлением вируса, влияя на нуклеиновые кислоты в период репликации их
РНК.
Холинэстераза — это высокоактивный фермент. Он может служить показателем
неспецифической резистентности организма. Присутствует в плазме крови,
препятствует распространению ацетилхолина в тканях.
К группе гуморальных факторов можно отнести естественные антитела, которые
присутствуют в крови или иной жидкости. Естественные антитела синтезируются
в В-лимфоцитах, они усиливают клеточную защиту в виде фагоцитоза, стимулируют функцию рецепторов В- и Т-клеток, способствуют скучиванию и
разрушению микробных клеток и нейтрализации токсинов. Антитела разделяют
на сывороточные (в крови, молозиве, молоке) и на секреторные (на
поверхности слизистых оболочек).
Неспецифическая гуморальная защита проявляется в виде так называемого
бактерицидного эффекта (или активности), которая обеспечивается действием
пропердина, лизоцима, комплемента, интерферона, бета-лизина, антител.
Бактерицидная активность служит интегральным показателем гуморальных
факторов естественной резистентности.
Клеточный тип защиты. Кроме гуморального иммунитета, важную роль в
защите организма играет клеточный иммунитет, особенно необходимый при
некоторых инфекциях, отторжении трансплантантов при пересадке органов или
эмбрионов, аутоиммунных заболеваниях (в этом процессе клеточный
иммунитет является формой защиты организма от инфекций, вызванных
микроорганизмами).
Клеточный тип защиты обусловлен фагоцитозом, который осуществляют многие
клетки: микрофаги (гранулярные лейкоциты и лимфоциты), макрофаги
(ретикулоэндотелий печени, селезенки, костного мозга, лимфатических желез),
подвижные клетки соединительной ткани (гистоциты, моноциты). Наиболее
активно фагоцитируют полиморфно-ядерные зернистые лейкоциты.
Тромбоциты, выделяя агглютинин, повышают активность нейтрофильных
гранулоцитов.
Основным элементом иммунной системы служат популяции лимфоцитов двух
основных типов: лимфоциты типа В и Т, символы которых приняты в 1969 г.
В-лимфоциты формируются в костном мозге. Их основная функция состоит в
синтезе антител, то есть иммуноглобулинов, которые служат источником
гуморальных факторов иммунитета.
Т-лимфоццты образуются в тимусе. Они не вырабатывают антитела, а
выполняют защитную роль с помощью рецепторов, находящихся на
поверхности лимфоцита.
Рецепторы — это образования макромолекулярной структуры В- и Тлимфоцитов, расположенные на поверхности этих клеток и обеспечивающие
«узнавание» конкретного антигена. Рецепторные клетки имеют специфичность,
обусловленную генетически в процессе их биосинтеза, что создает возможность
распознавания каждого антигена.
Т-лимфоциты могут выполнять разные функции. Существуют Т-киллеры,
которые, соединяясь с чужими клетками, убивают их. Другие Т-лимфоциты
содействуют В-лимфоцитам в синтезе антител. Третий тип Т-лимфоцитов — это
Т-супрессоры, подавляющие функции В-клеток,
Фагоцитоз регулируется нервной системой с помощью медиаторов,
выделяемых нервными окончаниями. Процессу фагоцитоза способствует
активация макрофагов антителами (опсонинами) и комплементом.
Иммунитет организма обеспечивает защиту не только от микроорганизмов, но
и от других генетически чужеродных веществ, особенно при пересадках органов
и тканей; от собственных переродившихся клеток при изменении их
генетического аппарата, в том числе раковых.
Регуляция иммунного ответа осуществляется путем специфической стимуляции
лимфоцитов, что приводит либо к биосинтезу антител, либо к усилению
клеточного иммунитета. На регуляцию иммунного ответа оказывают влияние
некоторые гормоны, например катехоламин и гормоны надпочечников.
Кортикостероиды влияют на созревание, дифференцировку и распределение
лимфоцитов.
Иммунная система характеризуется тесным взаимодействием факторов
гуморального и клеточного иммунитета. Это проявляется в том, что
гуморальные вещества, такие как опсонины, агглютинины и другие антитела,
синтезируемые иммуно-компетентными лейкоцитами, способствуют
осуществлению клеточного иммунитета, то есть реакции фагоцитоза.
Фагоцитарные реакции не могут уничтожать вирусы и токсины, на которые
активно действуют гуморальные факторы. Вместе с тем клеточная реакция
способствует образованию антител, нейтрализующих токсины. Следовательно,
гуморальные и клеточные факторы проявляют единство в системе защиты
организма.
Онтогенетические этапы образования лимфоцитов. В периферической крови
циркулируют стволовые клетки, которые являются предшественниками
лимфоцитов. В конце эмбрионального периода органом кроветворения
является печень, а затем костный мозг. В первые дни после рождения в
циркулирующей крови в десятки раз больше стволовых клеток, чем у взрослых
животных.
Выброс стволовых клеток из костного мозга в периферическую кровь имеет
суточную цикличность и связан с обратным направлением суточного выброса в
кровь гормонов кортикостероидов. Следовательно, поступление в
периферическую кровь лимфоцитов находится под гормональным контролем
со стороны коры надпочечников и гипофиз адреналиновой системы.
Существуют популяции лимфоидных клеток, обладающих способностью
сохранять информацию о каком-либо антигене в течение длительного периода
времени («клетки памяти»). Это создает условия сохранения длительного
иммунитета к данному антигену, однако «иммунная память» лимфоцитов не
наследуется.
Установлено (Петров, 1966), что существуют генетически сильные и слабые
продуценты антител. Эти данные подтверждают возможность селекционной
работы с животными в целях повышения естественной резистентности в
поколениях.
Р. В. Петровым (1984) разработана схема онтогенетических изменений,
происходящих в иммунной системе (рис. 62).
На формирование активности иммунной системы и резистентности большое
влияние оказывают возрастные процессы, так как с ними связаны не только
интенсивность физиологического состояния организма, но и накопление в
клетках и тканях организма различных мутационных эффектов в виде новых
генов, которые являются источником новых антигенов, образования опухолей,
патологии различных процессов, что и отражено в приведенной схеме.
В процессе старения происходит постепенное уменьшение числа стволовых
клеток костного мозга, снижается фагоцитарная активность, сокращается синтез
антител, уменьшается миграция клеток костного мозга в кровь, наступает
снижение общей иммунной активности и появление аутоиммунных антител как
результат патологии.
Вопрос о продлении иммунной активности, уменьшении процессов возрастной
иммунной депрессии имеет важное значение для практики племенного
животноводства, когда для селекционных целей целесообразно продлевать
сроки использования ценных производителей и самок.
Иммунореактивность. Способность иммунной системы Своевременно отвечать
на проникновение инфекции называют иммунореактивностью. Реакция
зависит от концентрации антител (иммуноглобулинов) и соотношения
численности и связи между Т- и В-лимфоцитами.
Иммунореактивность зависит и от гормонального фона, например от
кортикостероидов. На уровень реактивности оказывают влияние биоритмы.
Факторами, нарушающими иммунную систему и иммунореактивность
организма, являются различного типа стрессы, неблагоприятные для организма
факторы среды, которые нарушают необходимый иммунный гомеостаз.
Иммунные реакции организма на воздействия могут отклоняться от
нормального ответа и проявлять иные, специфические реакции на антигены,
чаще всего имеющие патологический характер. Так, например, известна
повышенная чувствительность организма к разным антигенам, проявляющаяся
в виде аллергии, которая часто протекает в острой патологической форме
заболевания. Гиперчувствительность может проявляться в виде анафилаксии и
анафилактического шока, которые вызывают опасные симптомы удушья,
падения кровяного давления и др.
В противоположность перечисленным реакциям существует явление
иммунологической толерантности* к антигенным факторам. Это, в частности,
проявляется в отсутствии иммунного ответа материнского организма на
антигены плода во время беременности, что спасает плод от его отторжения.
Существует и такая форма иммунного ответа, когда организм начинает
синтезировать антитела на антигены собственного организма (аутоантитела),
например к гормонам щитовидной железы, что приводит к серьезным
нарушениям в обмене веществ. У животных появление аутоантител может происходить в отношении своих гамет, что приводит к бесплодию.
В последнее десятилетие выявлен так называемый синдром приобретенного
иммунодефицита (СПИД), при котором иммунная система организма
утрачивает свою защитную функцию под влиянием вируса иммунодефицита
человека (ВИЧ) и это приводит к неизбежной гибели людей. Борьба со СПИДом
приобрела глобальный характер.
Генетическая обусловленность иммунной системы. Основная способность
иммунной системы заключается в определении «своего» и «чужого» в
организме. Ее реакция на «чужое» сводится к устранению его из организма.
Вещества, вызывающие иммунный ответ организма на «чужое»,
называют антигенами. Ими могут быть различные белки, полисахариды,
микроорганизмы (бактерии и их токсины, вирусы, грибы), аллергены
(выделения растений или насекомых, комнатная пыль), антигены групп крови,
трансплантационные антигены пересаживаемых тканей, чужеродные вещества
других организмов.
Свойство антигенов вызывать иммунную реакцию организма
называется иммуногенностью. Каждый антиген вызывает специфическую
реакцию организма в виде синтеза специфических веществ (антител),
образуемых в организме, подвергнутом воздействию антигенов. Не имеют
антигенных свойств нуклеиновые кислоты, липиды (жиры, воск).
Антигенными свойствами обладают эритроциты. Набор антигенов у
эритроцитов имеет специфичность и индивидуальность у каждого организма.
Эта индивидуальность, то есть присущие организму группы крови, должна
учитываться, если необходимо перелить кровь донора в организм реципиента.
Если эритроцитарные антигены донора и реципиента несовместимы, то
переливание крови проводить нельзя, иначе произойдут патологические
процессы и даже гибель реципиента.
Реакция антиген — антитело специфична, что объясняется генетической
специфичностью антител, соответствующих определенному антигену. Реакция
антиген — антитело может проявляться в виде агглютинации, преципитации,
лизиса и др. Эти реакции используют для диагностики протекающего иммунного ответа организма.
Генетические и физиологические особенности иммуноглобулинов. Основным
элементом иммунной системы являются антитела, синтезируемые
иммунокомпетентными лимфоцитами в качестве реакции на антиген. С 1964 г.
антитела принято называть иммуноглобулинами (Ig). Выявлено пять различных
классов: IgG, IgM, IgD, IgE, IgA. Иммуноглобулины представляют собой белки
сыворотки крови. В реакции антиген — антитело иммуноглобулины реагируют
только с определенными антигенами; это обусловлено специфической
аминокислотной последовательностью N-концевого участка их молекулы, что
является результатом строения ДНК клеток, синтезирующих иммуноглобулины.
Иммуноглобулин G обнаружен в сыворотке крови и молозиве жвачных. Он
составляет около 75% от общего количества иммуноглобулинов. IgA составляет
около 10% всех иммуноглобулинов сыворотки крови; он найден в большом
количестве в пищеварительной системе и в молозиве.
Структура молекулы иммуноглобулинов независимо от типа иммунного ответа
имеет ряд общих элементов. В нее входят две тяжелые полипептидные цепи Н
(heary) и две легкие L (tight), которые короче цепей H. Эти полипептидные цепи
соединяются между собой дисульфидными связями. Тяжелые H-цепи обладают
антигенностью, и на них организм отвечает синтезом антител. В состав Hцепей входит 420 — 440 аминокислотных остатков. H-цепи входят в состав
существующих 5 классов иммуноглобулинов. Тяжелые цепи имеют обозначение
для каждого класса иммуноглобулинов, а именно: γ для IgG, μ для IgM,
α для IgA, δ для IgD, ε для IgE.
Концевая часть H- и L-цепей, несущая NHз-остатки, характеризуется большой
изменчивостью по составу входящих аминокислот и обозначается
символом V (variable). Эта вариабельная часть молекулы Ig обеспечивается
генами локуса V, который определяет порядок размещения 97 аминокислот Lцепй, Противоположный конец молекулы имеет постоянный состав по
аминокислотам и обозначен буквой С (constant). Цепи L и H различаются не
только по длине, но и по составу. Так, цепи L имеют четыре
формы: λ1, λ2, λ3 и x — состоящие из 210 — 230 аминокислотных остатков. Эти
цепи присущи всем пяти классам иммуноглобулинов,
Генетическая особенность и изменчивость молекул иммуноглобулинов
обусловлена структурой N-концевой части H- и L-цепей.
Другой концевой (С) участок цепей отличается постоянством состава цепи по
аминокислотам, V- и С-участки цепей ДНК кодируются разными генами трех
хромосом. У мыши локусы H-цепинаходятся в 12-й хромосоме; локус х L-цепи —
в 6-й хромосоме, а локус λ L-цепи — в 16-й хромосоме.
Причиной большого разнообразия антител является соматическое
мутирование, разрывы и рекомбинации между локусами V- и С-генов,
Следовательно, специфичность и разнообразие антител в иммунной системе
обусловлены особенностями в структуре и функциях V- и С-частей тяжелых и
легких цепей молекулы иммуноглобулина.
Биосинтез и генетика антител. В основе синтеза антител на первом этапе
этого процесса лежит матричный механизм, обусловленный генной структурой
ДНК и РНК ядер иммунокомпетентных лимфоцитов и генетическими
особенностями ферментов.
Синтез H- и L-цепей Ig детерминирован одним С-геном, а разнообразие цепей
определяется большим числом Y-генов, Каждый из двухС-генов H- и L-цепей
сочетается с Y-геном и образует структуру, называемую цистроном. Цистрон
является исходным генетическим элементом. Его генетическая информация
копируется однонитевой молекулой РНК, которая приобретает
информационную генетическую функцию, преобразуясь в иРНК.
Информационная РНК переходит из ядра лимфоцита в его цитоплазму и на
полирибосомы цитоплазмы. Начинается синтез полипептидных цепей. H- и Lцепи синтезируются на разных рибосомах. Продолжительность этого синтеза —
около 30—90 с. После образования H- и L-полипептидные цепи соединяются
дисульфидными мостиками и происходит окончательная сборка молекулы
иммуноглобулина, включающая четырехцепочечную структуру. Образуется
специфическое антитело, синтез которого был ответом организма на
воздействие чужеродного антигена.
Скорость синтеза молекул Ig велика. Так, внутри одной клетки за одну секунду
синтезируется около двух тысяч одинаковых молекул.
Установлено, что особи одного вида различаются по скорости образования
антител на один и тот же антиген. Такие различия в скорости реакции
биохимического процесса в иммуно-компетентных В- и Т-клетках обусловлены
видовыми и индивидуальными генетическими особенностями каждой клетки.
Это означает, что существует локус, определяющий степень экспрессии гена в
синтезе Ig,Этот локус назвали локусом иммунного ответа, который обозначен
символом Ir.
Классы иммуноглобулинов Иммуноглобулины различаются по составу Hцепей и образуют пять классов, каждый из которых имеет физико-химическую
особенность и биологическую активность
Легкие цепи входят в состав всех пяти классов иммуноглобулинов. IgG наиболее
распространен. Он обладает способностью проходить через плаценту и тем
самым защищает развивающийся зародыш. Период полужизни IgG —21 день.
Он более активен в присутствии комплемента и опсонореакции. IgM в процессе
эволюции был филогенетически более ранним. В онтогенезе он также
синтезируется раньше других иммуноглобулинов (у плода и новорожденного
синтезируется в основном IgM), IgM находится преимущественно в плазме
крови и в лимфе, период полужизни — 5,1 дня. Активируется в реакции
агглютинации и лизиса в присутствии комплемента. Он не обладает
способностью проникновения через плаценту. При инфекциях
уровеньIgM повышен. IgA содержится в сыворотке крови, слюне; типичен для
слизистых оболочек и осуществляет местную защиту от инфекции, нейтрализует
токсины. Он имеет две формы: сывороточную и секреторную. Роль IgD достаточно не установлена Возможно, он служит рецептором Влимфоцитов IgE участвует в связывании антигенов на слизистых оболочках.
Синтез иммуноглобулинов начинается в онтогенезе в разные сроки. Так,
синтез IgM обнаруживается на 10-й, а синтез IgG — c 11—12-й недели
внутриутробного развития, но уровень его у плода ниже, чем у взрослых
организмов.
Сельскохозяйственные животные имеют различия в наборе иммуноглобулинов.
У крупного рогатого скота выявлен igG, подразделяемый на два
подкласса: IgG1 и IgG2 с периодом полураспада 20—25 дней, — а
также IgA и IgM. У овец и коз зарегистрированы три
класса: IgG1, IgG2, IgG3; IgA; IgM. У свиней определены три класса: IgG; IgA; IgM.
У лошадей выявлены IgG, IgG(t), IgM, IgA(t),
Использование генетической обусловленности естественной резистентности в
практике животноводства. Естественная резистентность, отражающая
врожденный иммунитет, является прежде всего следствием видовой
невосприимчивости животных, которая формируется в процессе эволюции.
Кроме этого, практика животноводства выявила породную и индивидуальную
устойчивость некоторых домашних популяций или групп животных в отношении
различных инфекций. При этом животные не заболевают даже в очаге массовой
инфекции или переносят заболевание в легкой форме.
В основе видовых, породных и индивидуальных свойств естественной
резистентности у животных лежит их наследственная обусловленность, которая
отражает генетические особенности организма. Повышение уровня
естественной резистентности сельскохозяйственных животных может быть
следствием целенаправленного отбора и подбора, способствующего
распространению и закреплению в популяции желательных генотипов.
Способность животных проявлять повышенную резистентность становится
важным селекционным признаком. Известно, что организация промышленных
животноводческих комплексов сопровождается увеличением концентрации
поголовья на сравнительно малой территории. При этом может создаваться
благоприятная ситуация для быстрого распространения инфекций (или
инвазий). В условиях современной промышленной технологии животноводства
повышенная резистентность животных приобретает особенно важное значение.
Сила и реакция иммунного ответа на антиген у разных особей данного вида
различны и обусловлены индивидуальной наследственностью Передача
особенностей иммунитета от родителей потомкам наследуется по законам
Менделя и может быть охарактеризована популяционными параметрами,
такими как коэффициенты корреляции, регрессии, наследуемости, если сравнить показатели факторов иммунитета (естественной резистентности) между
родственными животными. В этом направлении было проведено изучение
наследуемости 12 показателей, характеризующих естественную резистентность
у группы коров-матерей черно-пестрой породы и их дочерей в молозивномолочный период онтогенеза (Меркурьева и сотр., 1986). Данные, полученные
в процессе исследований, приведены в табл. 38.
Из представленных в табл. 38 данных о величине коэффициента наследуемости
можно сделать вывод о том, что при проведении селекции в молочном стаде
путем отбора более резистентных коров-матерей можно получать более
устойчивое к инфекциям потомство.
Для формирования иммунологического гомеостаза желателен такой тип
нервной деятельности и поведения животных, который мог бы поддерживать
требуемый гомеостаз и иммунную реактивность, обеспечивающую защиту
организма от инфекционного воздействия и влияния неблагоприятных условий
среды. Поэтому осуществление селекционой работы по созданию желательного
типа высшей нервной деятельности и поведения способствует также и
закреплению в породе, линиях или семействах естественной резистентности и
иммунной защищенности.
Генетически обусловленная резистентность к болезням и устойчивость к
неблагоприятным условиям среды должны стать элементом оценки животных и
отражаться в планах племенной работы со стадом и породой. Разработка
методов оценки генетической обусловленности резисгентности животных
является важным разделом современной зоотехнии
Классификация наследственных патологических отклонений. Аномалии или
болезни животных вызываются эндогенными (наследственность) и
экзогенными (условия окружающей среды) факторами. С учетом этих факторов
выделяют три группы болезней и аномалий.
Первая группа болезней и аномалий вызывается мутацией генов одного или
нескольких локусов с наследованием в виде простых менделевских
закономерностей (аномалии, уродства, гемофилия и т. д ).
Вторая группа болезней обусловлена взаимодействием наследственности с
факторами среды. Наследование их носит полигенный характер и находится
под влиянием генов-модификаторов. При этом признак характеризуется
специфической прерывистостью его фенотипического проявления, получившей
название порогового состояния признака, например резистентные —
восприимчивые, выживающие — погибающие, больные — здоровые. Такое
фенотипическое пороговое состояние признака наблюдается при
определенном числе активных генов и их кумулятивном действии и имеет
разную силу выраженности (экспрессивности) или проявляется в виде
пенетрантности, когда заболевание охватывает часть членов популяции.
Болезни третьей группы обусловлены воздействием неблагоприятных факторов
среды. Такие заболевания протекают на фоне модификационной
(ненаследственной) изменчивости, но при этом реакция разных особей на
изменение условий будет неодинаковой, что зависит от генотипа конкретного
организма. У животных известен ряд уродств, вызываемых условиями среды; их
называют фенокопиями, так как фенотипически эта группа уродств или
аномалий сходна с теми, что вызывают мутации, изменяющие
наследственность, но не передающиеся потомству. Например, в птицеводстве
при нарушении режима инкубации яиц наблюдаются уродства цыплят,
подобные наследственным.
Методы определения наследственной обусловленности аномалий и
болезней. Для определения наследственной обусловленности
зарегистрированной аномалии или заболевания используют комплекс
зоотехнических, генетических и ветеринарных методов.
Зоотехнический метод основывается на анализе родословной животного, у
которого обнаружено уродство или заболевание. Для этого в группе предков
животного, братьев, сестер и боковых родственников устанавливают, была ли у
кого-либо из них аналогичная патология или нет; выявляют связь обнаруженной
патологии с определенным предком, послужившим родоначальником
патологического эффекта; проводят оценку производителей по фенотипу,
родословной и по качеству потомства.
Генетические методы включают специальный подбор пар. на основе которого
осуществляют анализирующее скрещивание и семейный анализ. К
генетическим методам относят цитогенетическую характеристику кариотипа с
целью выявления хромосомных аномалий. Применяют иммуногенетические
методы, позволяющие оценить иммунную совместимость или ее отсутствие у
родителей. Генетико-стагистический анализ популяции дает возможность
установить степень гомо- и гетерозиготности локусов по аномальным генам,
определить частоту летального аллеля и сделать прогноз вероятности его
распространения.
Ветеринарные методы используют показатели клеточного и гуморального
иммунитета, патологоанатомический анализ для суждения о патологии и
аномалиях у конкретной особи или в обследуемой группе животных.
Комплексный подход при выявлении наследственной обусловленности и типа
наследования различных аномалий и болезней ставит задачу генетической
диагностики, профилактики и разработку методов лечения или ослабления
патогенетического эффекта наследственных болезней.
Основные типы аномалий и наследственных заболеваний. У
сельскохозяйственных животных выявлено более 130 наследственных
аномалий и заболеваний, имеющих генетическое происхождение. Большая
часть их затрагивает морфологическое строение, выражаясь в аномалиях
скелета, кожи, головного мозга, органов зрения, пищеварении, мышечной
ткани, половой и мочевыделительной систем, синтеза пигмента, в аномалии
обмена веществ. К таким аномалиям и болезням относятся: водянка головного
мозга, аномалии скелета, крипторхизм, гермафродитизм, катаракты,
альбинизм, аномалия зубной системы, дисплазия центральной нервной
системы (тремор, атаксия, эпилепсия, параличи), карликовость, дисплазия
коленной чашечки и тазобедренного сустава, мышечная дистрофия, грыжа
(пупочная, паховая, мошоночная) аномалии кровеносной системы и крови
(гемофилия) заболевания щитовидной железы (зоб, микседема, гипертиреоз),
диабет Созданы международная классификация и список летальных дефектов
(по Стормонту и Визнеру) У крупного рогатого скота учтено 46 аномалий и
заболеваний, у лошадей 10, у свиней 18, у овец 15, у кур 45, у индеек — шесть, у
уток три, у голубей — три.
Полученные в различных опытах данные свидетельствуют о сходном действии
ряда генов в организме животных разных видов, вызывающем одинаковые
аномалии и болезни. Рецессивный характер наследования приводит к
летальному или полулетальному исходу в эмбриональный или
постэмбриональный периоды развития особи.
Селекция на устранение из популяции наследственных аномалий и дефектов
менее сложна, чем на повышение естественной резистентности, так как
фенотипическое проявление аномалий или уродств выявляется при
гомозиготном состоянии рецессивного гена, обусловливающего патологию.
Такую патологию легко обнаружить в стаде по фенотипическому проявлению
аномалий, которые отмечают в редких случаях. Для предотвращения
дальнейшего распространения аномалий в поколениях проводят выбраковку
животных, проявляющих уродство, или их родителей, через которых они
передаются, в результате чего популяция очищается от носителей генетической
патологии.
Исследования по изучению аномалий и уродств проведены А И Жигачевым на
десяти племпредприятиях, разводящих молочный скот, в ряде зон и областей
РСФСР, с использованием фенотипического описания животных,
кариотипического исследования, анализа родословных и популяционного
анализа (1986). Установлено, что средняя частота встречаемости аномалии
невысокая (1,15% — в костромской породе), но у сычевского и симментальского
скота встречаемость транслокаций достигает 8,2 — 26,66%.
Анализ спектра аномалий и динамики в их частоте указывает на наличие
генетического груза, установленного в процессе мониторинга по поколениям и
по календарным отрезкам. Исследование А. И. Жигачева показало необходимость цитогенетической аттестации животных и проведения семейного и
общепопуляционного анализа в породах и стадах для планирования мер,
пресекающих распространение аномалий.
У крупного рогатого скота выявлены следующие аномалии: доминантные —
ахондроплазия (бульдоговидные телята); рецессивные — бесшерстность телят
(летальный исход), отсутствие конечностей, укорочение позвоночника
(мертворождение), общая водянка, анкилоз суставов, смещение зубов
(летальный исход), атрезия (отсутствие) ануса, мозговая грыжа, укорочение или
отсутствие нижней челюсти, гидроцефалия, врожденные судороги (летальный
исход), удлинение срока стельности на 20 — 90 дней (мертворождение) и на 80
— 100 дней (извлечение плода хирургическим путем), дисфункция щитовидной
железы (гибель через две недели после рождения), гиперемия кожи и
слизистых оболочек, выкидыши.
У крупного рогатого скота сцепленные с полом доминантные признаки,
имеющие летальный характер, приводят к гибели бычков, отсутствию у них
зубов, волосяного покрова, к недоразвитию передней доли гипофиза. Действие
доминантных генов при их неполной пенетрантности сопровождается аномалией черепа и гибелью животного.
У свиней выявлены рецессивные (мозговая грыжа, отсутствие ануса,
недоразвитие ушных раковин, уродство или паралич конечностей, водянка
мозга, микседема, выпадение прямой кишки) и доминантные аномалии
(порфирия — красно-коричневая окраска костей и зубов, гемофилия, желтуха
новорожденных).
У овец зарегистрированы аномалии, обусловленные рецессивным действием
генов: мышечная контрактура и мертворожденность, недоразвитость ушной
раковины, паралич задних конечностей, деформация скелета, грыжи,
отсутствие фаланг, летальная серая окраска шерсти у каракульских овец,
карликовость, патологическая светочувствительность, мышечная дистрофия,
приводящая к гибели вскоре после рождения, отсутствие нижней челюсти и
непроходимость пищевода, отсутствие ануса.
У лошадей рецессивные аномалии выражаются в виде непроходимости
ободочной кишки; дефектов эпителия кожи; искривления грудных конечностей;
мозжечковой атаксии (опрокидывание на спину, паралич и гибель на 5—6-й
день); отсутствия глазного яблока, грудных конечностей; пупочной грыжи; искривления шеи.
Подробный материал по аномалиям и болезням собак приведен в книге R.
Robinson (1982), в которой дается их генетический анализ. Даны перечень и
характеристика 57 заболеваний и аномалий, в том числе 15 — с доминантным
проявлением. Выявлено большое разнообразие заболеваний, затрагивающих
различные системы жизненно важных органов и систем. К числу доминантных
патологий относятся катаракта, дисплазия бедра, гемофилия, бесшерстность,
лимфоотек, микрофтальмия.
У кур зафиксировано большое число наследственных аномалий, имеющих
рецессивный, доминантный и сцепленный с полом тип наследования.
Рецессивные аномалии: неспособность к вылуплению; укорочение верхней
челюсти и клюва; дефект маховых перьев; уродства позвоночника и таза;
уменьшение глазного яблока и гибель сразу после вывода, укорочение и
утолщение конечностей; многопалость; отсутствие нижней челюсти и мозговая
грыжа; бескрылость и отсутствие легких, почек и воздушных мешков;
карликовость; запрокидывание головы и дрожание; гипоплазия конечностей и
др. Среди доминантных аномалий кур обнаружены коротконогость
(летальность для гомозигот); врожденное дрожание; отсутствие оперения;
атрезия яйцевода и др. Выявлены аномалии, обусловленные сцепленным с
полом наследованием и приводящие к отсутствию оперения у курочек,
внезапной гибели курочек в возрасте до 123 дней. Обнаружены летальная
черная окраска; «трясучка», поражающая молодняк 2—5-месячного возраста;
волокнистый пух, приводящий к гибели в возрасте 14 дней; одышка, пароксизм
(угнетение роста) и др.
Каждому специалисту необходимо тщательно описывать все проявляющиеся в
стаде аномалии или патологические признаки, регистрировать частоты их
возникновения и выявлять родственную связь между аномальными животными
и их предками, сибсами, полусибсами и др. Необходимо планировать отбор и
подбор пар таким образом, чтобы стало невозможным дальнейшее
распространение летальных или других нежелательных генов в породе.
Наследственность основных массовых болезней и проблема селекции на
резистентность. Более важное значение для практики имеет наследственная
устойчивость (резистентность) организма к ряду заболеваний, затрагивающих
не единичных особей в стаде или породе, а распространяющихся на значительное поголовье и наносящих большой экономический ущерб. Наиболее
опасными по своему патологическому, экономическому эффекту и трудностям в
их ликвидации обычными ветеринарными приемами являются инфекционные
и инвазионные болезни (бруцеллез, туберкулез, лейкоз, маститы, рожа,
пироплазмоз, пуллороз кур, птичий тиф и др.).
Традиционные ветеринарные методы лечения, лежащие в основе очищения
стад от некоторых заболеваний, дают эффект в основном в тех группах
животных, которых подвергали прививкам и у них выработался пассивный
иммунитет. Для последующих поколений вновь потребуются такие же
мероприятия. При некоторых заболеваниях вынужденно применяются массовый убой и ликвидация животных, особенно если против распространяющейся
болезни не разработаны ни профилактические, ни лечебные мероприятия.
Вынужденный убой животных — это крайняя мера, поэтому необходимо вести
селекцию на создание стойкой резйстентностй животных и закреплять ее в ряде
поколений.
Устойчивость животных к указанным заболеваниям имеет полигенный
тип наследования, то есть обусловлена действием многих генов. Выявление
генетического детерминирования некоторых заболеваний создает основу для
осуществления селекции на резистентность. У животных с большим интервалом
Между поколениями (у крупного рогатого скота интервал Составляет около пяти
лет) темп селекции на резистентность будет медленнее, чем у животных с
малым интервалом между поколениями (птица), характеризуемых высоким
коэффициентом размножения Селекция на резистентность усложняется и тем,
что отбор ведут одновременно по нескольким признакам.
На формирование резистентности и эффект селекции по ее показателям влияют
условия внешней среды (уровень и тип кормления, параметры микроклимата и
др.). Эти факторы могут неблагоприятно отразиться на здоровье животных и тем
самым затормозить селекцию на резистентность.
При селекции на резистентность пользуются двумя методами. Один из них
основан на искусственном заражении животных патогенными
микроорганизмами. На фоне такого заражения часть животных гибнет или
их выбраковывают, а часть не реагирует на заражение, что обусловлено
индивидуальной наследственной резистентностью. Эту группу животных
используют для дальнейшего размножения и селекции на резистентность
потомства последующих генераций. Метод не может быть применен в
производственных условиях.
Другой метод основан на проведении генетического анализа семейств, что дает
возможность выявить более и менее резистентных животных и осуществить
селекцию в нужном направлении.
Определенные затруднения в селекции на закрепление резистентности к
инфекционным болезням возникают в связи со способностью патогенных
микроорганизмов проявлять большую изменчивость, при которой за короткие
отрезки времени один и тот же вид бактерий или вирусов изменяет
наследственность. В результате этого животные, резистентные к одному
штамму, оказываются восприимчивыми к вновь возникшему штамму
микроорганизма. Селекцию на резистентность животных усложняет и
родственное спаривание. Инбридинг приводит к повышению гомозиготности
стад и пород, часто вызывает инбредную депрессию, снижает резистентность
инбредного потомства, увеличивает распространение в популяции
нежелательных рецессивных генов и гомозиготных (часто летальных)
генотипов.
Несмотря на трудности в селекции на резистентность, получены
обнадеживающие результаты по созданию резистентных групп свиней,
крупного рогатого скота и птицы.
Использование селекционных методов создания и выведения резистентных
популяций сельскохозяйственных животных осуществляется в нашей стране
ведущими научно-исследовательскими коллективами (ВНИРГЖ, ВИЖ,
ВНИИТИП, МВА и др.) При этом основное внимание направлено на создание резистентных популяций животных разных видов к таким распространенным
заболеваниям, как маститы, лейкозы сельскохозяйственных животных. В
птицеводстве проводится работа по борьбе с болезнями Марека, туберкулезом,
бруцеллезом, пуллорозом, кокцидиозом, колибактериозом птицы и др.
Наряду с работами, практически доказавшими возможность выведения
резистентных групп животных, многие исследования, направленные на
разработку проблемы повышения естественной резистентности, носят
поисковый и экспериментальный характер. Вместе с тем они позволяют
накапливать данные, подтверждающие генетическую обусловленность
индивидуальной и групповой естественной резистентности и разрабатывать
селекционно-генетические методы предупреждения и снижения заболеваемости животных.
Существенный урон наносит распространение маститов у крупного рогатого
скота в острой или субклинической форме. Повышение заболеваемости
маститом наблюдается в зимне-стойловый период и несколько уменьшается в
летне-пастбищный, когда благоприятное действие оказывает ультрафиолетовое
естественное облучение, вызывающее гибель микрофлоры. Увеличение
возраста коров сопровождается распространением острой и субклинической
форм мастита, что связано с общим возрастным ослаблением защитных
средств, а также с ослаблением сфинктера канала соска, способствующим
доступу микрофлоры в сосок,
При анализе генеалогической структуры стада в исследованиях ряда научных
коллективов (ВИЖ, ВНИРГЖ, МВА и др.) была выявлена связь
маститоустойчивости у некоторых генетико-селекционных групп коров.
Отмечено, что в некоторых семействах и линиях это заболевание отсутствует, в
то время как в том же стаде другие группы проявляют высокую заболеваемость
(до 30—50% от числа всех животных группы). При инбридинге с родительских
пар снижайся потомства.
Для снижения заболевания маститом в настоящее время осуществляют
селекцию на правильную форму вымени, устойчивость нервной системы коров,
при которой наблюдается меньше «срывов» в молокоотдаче. Вместе с тем
необходимо проводить отбор животных, обладающих высоким уровнем
наследственно обусловленной естественной резистентности тканей молочной
железы к патогенным микроорганизмам и способности клеток синтезировать
защитные вещества, входящие в состав крови, молока, слизи, в частности такой
фермент, как лизоцим,
Так, в работах Л. А. Зубаревой и др. (1977) была обнаружена различная степень
устойчивости коров голландской и шведской пород к субклиническому маститу.
У голландской породы количество больных коров достигало 17%, а у шведских
—25%. Выявлены более резистентные семейства и линии. Отмечено, что в
группах здоровых коров частота аллеля гена βLgA в белке молока выше, чем в
группе больных. В тех семьях, где заболевание маститом не отмечено частота
этого аллеля составляла 0,4865 и определено большое число животных,
гетерозиготных по локусу βLg (59,5%).
В экспериментах с айрширским скотом (Меркурьева, Скрипниченко, Беляева,
1980) установлено, что по такому показателю естественной резистентности, как
активность лизоцима в крови, молоке и молозиве коров, дочери разных быков
существенно различались Различия между дочерьми разных быков были
выявлены и по уровню бактерицидной активности. Заболевание коров
маститом варьирует у животных разных семейств
Установлена достоверная разница в активности лизоцима сыворотки крови
коров, имеющих разные генотипы по локусам трансферрина, амилазы и
церулоплазмина сыворотки крови, что создает возможность отбора жела-
тельных генотипов (TfAA, TfAE, АтСС, CpBB) для повышения естественной
резистентности.
У коров со здоровым выменем активность лизоцима была ниже как в молозиве,
так и в молоке. У коров со скрытыми (субклиническими) формами мастита эти
показатели были достоверно в два раза выше, что являлось результатом
мобилизации защитных механизмов против маститной инфекции. Таким
образом, тестирование животных по уровню лизоцимной активности создает
перспективу включения в селекционный процесс новых показателей с целью
повышения естественной резистентности
Большой экономический ущерб скотоводству наносит лейкоз, поэтому в
последние годы многие исследования направлены на выявление
наследственной обусловленности этого заболевания. Различают
«вертикальный» тип распространения лейкоза, когда он передается из
поколения в поколение, и «горизонтальный» тип, когда он распространяется
между хозяйствами в результате переноса возбудителя,
Существует ряд теорий этиологии лейкоза и его генетического
детерминирования, но достаточной ясности в этом вопросе пока нет, Вирусная
теория происхождения лейкоза исходит из признания наличия онкогенного
возбудителя. Вирус может находиться в латентном состоянии, а при
определенных условиях переходит в активную форму. Он может передаваться
от матери к плоду через плаценту, через молозиво и приводит к картине
«семейного» и «врожденного» лейкоза. Вместе с тем в этиологии и
распространении лейкоза имеет большое значение наследственность
животного. Многими исследованиями установлено, что можно выделить
лейкозоустойчивых и, наоборот, подверженных этому заболеванию животных.
В 1968 г. сформулирована вирусно-генетическая теория возникновения и
распространения лейкоза. Считают, что восприимчивость к лейкозу
контролируется доминантными, а устойчивость к нему — рецессивными
аллелями аутосомных хромосом животного. Между онкогенными вирусами и
клетками организма животного, подверженного заболеванию, существует
определенное взаимодействие. Размножение вируса может происходить
только при внедрении его в клетку животного, в результате чего наступает
процесс репликации РНК вируса. При этом вирус вызывает большие изменения
в морфологии и обменных процессах зараженных клеток.
Исследованиями, проведенными О. А. Ивановой на большом поголовье скота
красной степной породы, был подтвержден наследственный характер лейкоза,
который прослеживался в нескольких поколениях. Ею сформулирована
гипотеза о том, что в основе заболевания лейкозом лежит провирус (V), ДНК
которого включается в геном клетки крупного рогатого скота. Активность
провируса зависит от наличия в генотипе животного доминантного генарепрессора (R) или его рецессивного аллеля r. Если в генотипе клеток
рецессивный ген будет находиться в гомозиготном состоянии (rr), то провирус
становится активным, что приводит к заболеванию животного лейкозом. Следовательно, наличие провируса V и аллеля г создает состояние
предрасположенности к лейкозу и при генотипе клеток животного V—
rr проявляется заболевание.
Наследственная обусловленность резистентности животных к лейкозу не
вызывает сомнения и подтверждена обширными материалами многих
исследователей (Емельянов и сотр., 1966; Визнер, 1967; Лактионов, 1968; Эрнст,
Цалитис, 1973) Было доказано, что устойчивость к лейкозу обусловлена
полигенным (полимерным) типом наследования (Петухов, Карликов, 1981).
Коэффициент наследуемости (h2) резистентности к лейкозу значительно
колеблется (от 0,10 до 0,33 и более) у животных разных стад и разного
происхождения.
А. С Емельянов показал, что заболевшие лейкозом коровы черно-пестрой
породы были дочерьми, внучками и правнучками быка Прибоя и его сына
Таинственного Доказано наследование лейкоза у бурого латвийского скота в
зависимости от принадлежности животных к семействам и линиям.
В процессе исследований, проводимых академиком В. П. Шишковым с сотр.
(1983), выдвинута вирусно-иммуногенетическая теория этиологии, патогенеза и
профилактики лейкозов и других опухолевых заболеваний. Показано, что
вирусы, вызывающие онкогенные заболевания, интегрированы с геномом
кроветворных клеток. Развитие лейкоза в организме связано с иммунобиологическим состоянием животного и его генетической
предрасположенностью к заболеванию. Противолейкозный иммунитет связан с
состоянием Т- и В-лимфоцитов, макрофагов и неспецифических факторов
резистентности организма.
Установлена связь заболевания лейкозом с полиморфными системами крови
животных. Так, по данным Л. А. Зубаревой и др., оказалось, что коровы,
гомозиготные по аллелю TfA (генотипTfAA), проявляли более высокую
восприимчивость к лейкозу и около 36% животных с таким генотипом болели
лейкозом, а при гетерозиготных генотипах (TfAD, TfED) насчитывалось только
20—27% больных животных.
По данным П. Ф. Сорокового, В. Я. Дексне, Д. В, Карликова, выявлены
существенные различия между носителями некоторых аллелей и генотипов Bсистемы групп крови быков и заболеваемостью лейкозом их дочерей. Так, в
потомстве быков, маркированных аллелем В1р´ установлены очень редкие
случаи заболевания лейкозом, а дочери быков, имевшие альтернативный
аллель, часто болели.
Для селекционных целей разработан популяционный коэффициент (I) — индекс
генетической устойчивости. При обследовании скота бурой латвийской породы
были получены данные, представленные в табл. 39.
Данные табл. 39 свидетельствуют о том, что чем больше индекс устойчивости,
тем выше резистентность. Ежегодно такая оценка быков дает возможность
выявить около 25% быков-улучшателей по генетической устойчивости к
лейкозу. Эффективность отбора по устойчивости к лейкозу в семействах
значительно ниже, чем по линиям. В экспериментальном хозяйстве «Сигулда»
Латвийского научно-исследовательского института животноводства и
ветеринарии этот эффект составил около 3% на одно поколение.
Выявлены породные особенности восприимчивости и устойчивости крупного
рогатого скота к лейкозам Повышенная заболеваемость отмечена у черно-
пестрого фризского скота, у канадских голштинов (Roberts, 1980), у финских
айрширов (Neuvonen и др., 1986). Исследователями США (Haus и др., 1977)
выяснено, что поражаемость бычьим лейкозным вирусом (БЛ) у мясного скота
составила 2,6%, у молочного — 28,2% (особенно у голштино-фризов).
По данным ВНИИПлема (1983), распространение лейкоза в нашей стране по
разным породам варьирует от 0,4—0,8% для симментальской, швицкой,
холмогорской пород до 10,3-22% для черно-пестрой и голштино-фризской
пород. По данным этих авторов, оказалось, что среди коров, заболевших
лейкозом, большая часть получена с использованием инбридинга Вирус
лейкоза может передаваться потомству в эмбриональный период от больной
матери и через молозиво
Выяснено, что у животных, гомозиготных по группам крови, восприимчивость к
лейкозу меньше у больных коров эстонской породы чаше встречаются
эритроцитрные антигены Т, Е, С, М; учерно-пестрой -I, P, Т, О, ОА, КZ, X и С.
На основании обобщения работ по изучению лейкоза ВНИИРГЖ выпустил для
использования в практика «Рекомендации по селекции крупного рогатого скота
на устойчивость к лейкозу» (Л. 1986), где приведены методы оценки быков на
лейкозоустойчивость и схема селекционной работы
Для оценки быков на лейкозоустойчивость сравнивают процент заболе
ваемости по стаду (С) со средним процентом заболевших коров-сверстниц (В).
Формула лейкозоустойчивости быков (О) по показателям дочерей такова
где Д — число эффективных дочерей, которое определяется по формуле
Дэ=nдочерей×nсверстиц/nдочерей+nсверстниц; Д - заболеваемость дочерей, %;
В — заболеваемость сверстниц, %; 39 — постоянный коэффициент при наследуемости h2=0,l
Если известна заболеваемость среди матерей дочерей оцениваемого быка, то в
формуле учитывают этот показатель
где М — заболеваемость матерей дочерей оцениваемого быка,%; Вм — заболеваемость матерей сверстниц, %; 0,3 — регрессий дочерей на матерей по
заболеваемости.
Если требуется сравнить быков, содержащихся в разных условиях, то
применяют индекс генетической устойчивости (И):
В рекомендациях дается схема проведения селекции крупного рогатого скота
на устойчивость к лейкозам (рис. 63).
Быков считают лейкозоустойчивьми, если ни одна из их дочерей не болела
лейкозом до окончания третьей лактации Условно устойчивыми считают быков,
у которых процент лейкозных дочерей меньше, чем процент больных сверстниц
в стаде. Восприимчивыми быками будут те, у которых процент заболевших
дочерей равен или выше процента больных среди сверстниц стада.
Комплекс селекционных мероприятий предусматривает проведение оценки
быков по состоянию здоровья дочерей, недопущение внутрилинейного
подбора, а группах скота, неблагополучных по лейкозу.
Продолжительные исследования проведены В. Л. Петуховым (1963—1986) по
изучению генетики устойчивости животных к лейкозу и другим заразным
болезням у ряда пород молочного скота из разных зон нашей страны.
Популяционный анализ показал, что коэффициенты наследуемости
устойчивости составляли по лейкозу 0,3, по бруцеллезу 0,194, туберкулезу 0,10,
маститу 0,10, болезням конечностей 0,13.
Было установлено, что от быков, у которых отмечен высокий процент дочерей,
болевших лейкозом в данном хозяйстве, эти особенности проявлялись и в
других хозяйствах, что подтверждает оценку быков как носителей
наследственно обусловленной лейкозоподверженности. Генетикоселекционный анализ выявляет лейкозоустойчивость потомства,
принадлежащего к разным линиям и семействам. Такие свойства отдельных
групп прослежены в нескольких поколениях потомков. Целесообразно проводить селекцию на лейкозоустойчивость в стадах и в породе, используя
положительно оцененные группы (семейства, линии, отдельные
производители) быков и коров.
По данным В. Л. Петухова, имеются различия при подборе резистентных (или
восприимчивых) быков к здоровым или лейкозным коровам (табл. 40).
Заболеваемость крупного рогатого скота туберкулезом и бруцеллезом также
имеет наследственную обусловленность. Выделяются как семейства коров, так
и потомство некоторых быков, проявляющих более высокую (или более
низкую) заболеваемость такими болезнями. По данным В. Л. Петухова, для
туберкулеза в среднем по популяции h2 = 0,10, а по разным линиям его
величина колебалась от 0,01 до 0,492. Коэффициент наследуемости бруцеллеза
в среднем составил 0,194.
Для повышения резистентности к этим заболеваниям недостаточно проводить
массовую селекцию или выбраковывать больных животных. В современной
селекции необходимо проводить планомерный подбор пар с учетом
использования резистентных животных, устранять из подбора восприимчивых и
проводить индивидуальную оценку производителей и маток по их личной
устойчивости к источнику болезни и по устойчивости их потомков. При этом
необходимо вести такую оценку не по одному заболеванию, а по их комплексу,
имея в виду, что связь между заболеваниями существенна. Она выражается
коэффициентами корреляции на уровне r = 0,383 по семействам, а по отцам в
дочернем поколении составляет r=0,340.
Следовательно, для осуществления селекционной работы на повышение
резистентности к массовым заболеваниям необходимо вести учет и
регистрацию в племенных индивидуальных документах заболеваний,
подвергая затем эти данные генетическому и популяционному анализу. В
системе крупномасштабной селекции ведение записей и анализ динамики по
поколениям и календарным отрезкам должны быть обязательным элементом
работы зоотехника-селекционера и ветеринарного врача,
Многочисленные исследований проведены по изучению резиетентноссти у
птицы. В числе ранних работ по получению резистентных групп следует назвать
Ф. Хатта (1954), который путем отбора получил устойчивую к пуллорозу линию
кур породы белый леггорн. При этом было применено экспериментальное
заражение птицы. В процессе селекции в зараженной группе птицы в
результате отбора сохранность достигла 70%, а в контрольной — только 28%,
Скрещивание резистентной птицы с контрольной показало, что в потомстве
первого поколений наблюдалось наследование резистентности, что указывает
на доминантный тип наследований этого признака.
Эффект успешной селекции был получен этим же исследователем в результате
15-летней работы по выведению птицы» устойчивой к лейкозу. Была получена
лейкозоустойчивая линия, в которой отход на протяжении от 40-До 600дневного возраста составлял 5%, а в лейкозочувствительных линиях он достигал
60%.
Ряд опытов был посвящен селекции птицы, резистентной и чувствительной к
заражению вирусом саркомы Рауса (ВСР). Отобранные группы птицы,
проявившие устойчивость к лейкозу, послужили основой для создания новых
резистентных линий. Отбором для размножения более резистентных к саркоме
кур удалось снизить количество больной птицы с 70 до 12,6%, В линии,
отселекционированной на повышенную чувствительность к лейкозу, доля
больной птицы в Четвертом поколении достигла 78%
Выявлена разная степень породной устойчивости птицы (леггорн, полтавские
глинистые куры), их помесей и гибридов. У помесей (полтавская глинистая ×
род-айланд) индекс резистентности составил 51—-59%, а у леггорнов — 13 —
14%. Наследуемость резистентности была значительной (h2 =0,33 — 0,59),
причем коэффициент наследуемости по отцу был выше, чем по матерям
Исследований, проведенные в МВА (Бессарабов, 1983), показали
эффективность повышений генетической устойчивости сельскохозяйственной
птицы. Разработана методика отбора кур на естественную резистеитность
против пуллороза, колибактериоза, стафилококкоза путем заражения птицы
оттитрованным материалом, что позволило дифференцировать и оценивать
кур, устойчиво передающих резистентность потомству.
Влияние генетических различий на показатели естественной резистентности
получило подтверждение в опыте (Меркурьева, Саладдин, 1981) при сравнений
уровня иммунологических показателей сыворотки крови цыплят кросса
«Беларусь-9» и его исходных линий. Гибридная птица имела более высокий
уровень лизоцима, бактерицидной активности и бета-лизина по сравнению с
исходными линиями, причем последние также различались между собой по
имунным показателям. Были также проведены опыты с птицей трех различных
кроссов и типа продуктивности: бройлеры, яичные кроссы «Хайсекс белый» и
«Хайсекс коричневый». Изучены показатели активности лизоцима,
бактерицидной активности, бета-лизина, количество эритроцитов, величина
гематокрита. Уровень лизоцима в белке яиц кросса «Хайсекс коричневый» был
выше, чем в других кроссах, что способствует повышению выводимости и
резистентности цыплят этого кросса (Меркурьева, Айтман, 1987). Доля влияния
генетических различий на комплекс факторов резистентности белка яиц, крови,
эритроцитов была достоверна и отражала влияние селекции на резистентность
Обработка яиц перед инкубацией парами супермутагена
нитрозодиметилмочевины (НДММ) в микродозах 1 10-6 г/яйцо дала
возможность повысить активность лизоцима в белке на 10%, а в сыворотке
крови суточных и месячных цыплят, полученных из обработанных яиц, на 15%
по сравнению с уровнем у птицы контрольной группы. При заражении 45дневной птицы кросса «Беларусь-9» сублетальной дозой культуры микоплазмы
установлено, что уровень лизоцима, бактерицидной активности и бета-лизина
был выше у птицы, полученной из яиц, обработанных парами НДММ, как в
группе незараженных, так и в группе зараженных цыплят. Более высокая естественная резистентность птицы, полученной из обработанных яиц, подтверждалась более высокой их сохранностью при выращивании по сравнению с
контрольной птицей (Красота» Шангин-Березовский, Молоскин, Саладдин,
1981).
Исследования гельминтологов показали, что наблюдается наследственная
устойчивость кур к аскаридозу, что связано с наличием определенных генотипов по полиморфным системам некоторых ферментов. Наиболее подвержена
аскаридозу птица, характеризующаяся сочетанием следующих генотипов по
этим же локусам: PpFF, EsBB, CaFF, HbBB, то есть имеющих гомозиготную форму
(Селихова, 1983).
Эффективные результаты получены при селекции рыб на резистентность Целью
работы было создание групп карпа, резистентных к краснухе (Илясов,
Кирпичников, Шарт, 1978). Для этого использовали ропшинскую группу (Р),
украинско-ропшинских помесей (УР) и местного краснодарского (М) карпа.
Селекцию проводили на фоне естественного и искусственного заражения рыб и
жесткого отбора в течение 4—5 поколений. Число выживших рыб,
содержавшихся в условиях очень уплотненной посадки, вызвавшей вспышку
краснухи, указывает на высокий эффект селекции Резистентность рыбы
повышалась следующим образом.
Помесная рыба отличалась эффектом гетерозиса Карпы, имевшие генотип по
трансферрину TfAB и эстеразе EsFF, характеризовались повышенной
устойчивостью к краснухе.
Реализация генетически обусловленной резистентности может усиливаться
различными методами кормления, содержания и биологической стимуляцией.
Как показали исследования, селекцией можно повышать не только
резистентность животных к болезням, но и устойчивость к неблагоприятньм
факторам среды, Устойчивость к высокой температуре у крупного рогатого
скота связана с понижением функции щитовидной железы. Так, бирманский
зебувидный скот, у которого функция щитовидной железы понижена, более
устойчив к высоким температурам; у герефордской породы функция этой
железы ярко выражена и скот плохо переносит жару
А, Н. Соколовой (ВНИИРГЖ, 1960—1986) путем длительной селекции была
создана линия кур, приспособленных к низким температурам окружающей
среды при сохранении высокой яйценоскости. В течение девяти поколений
цыплят с первых дней жизни выращивали при температуре 12 — 16°С, что
формировало конституционально крепкую птицу с хорошей приспособленностью и повышенной терморегуляцией.
Птица проявляла комплексную устойчивость к аскаридозу, кокцидиозу, болезни
Марека и карциноме. Эти качества резистентности сочетались со
скороспелостью; яйценоскость за первые 73,5 нед составляла в среднем 244
яйца при рекорде 303—310 яиц, что соответствует мировым стандартам. Была
получена и линия кур русской белой породы, которая обладала повышенной
резистентностью к онковирусам RPV. При разведении на протяжении 18
поколений птица сохраняла свои свойства на фоне внутрилинейного подбора
при коэффициенте инбридинга от 30 до 70%.
Ю. О. Раушенбах (1977) изучал приспособленность животных к
неблагоприятным условиям среды. Была высказана гипотеза, что в процессе
доместикации у животных ослаблена общая адаптационная пластичность и
снижена неспецифическая, то есть естественная, резистентность. Выяснено, что
важную роль в эколого-генетических свойствах животных играет
биохимический полиморфизм белковых систем крови, в частности полиморфные типы гемоглобина. К экстремальным условиям высокогорья лучше
приспособлены животные с гетерозиготным генотипом гемоглобина (НbАВ) и с
генотипами, обеспечивающими высокое содержание в крови концентрации
калия,
Немалое значение для формирования естественной резистентности имеет
кормление. Выла установлена (Красота, Дронин, 1980) связь между особенностями рациона (брикетный, корнеплодный и концентратный типы кормления) телок костромской породы и уровнем показателей их естественной
резистентности. У телок, получавших корм в виде брикетов, бактерицидная
активность была достоверно выше в период от одного до 18-месячного
возраста. Показатели иммунологической реактивности и естественного
иммунитета (количество лейкоцитов, лизоцимная и бактерицидная активность
и фагоцитарная реакция) свидетельствовали о повышении стабильности
гуморальных и клеточных факторов, обеспечивающих устойчивость животных к
микробным инфекциям. Это сопровождалось хорошей минерализацией
костяка, более высокой репродуктивной способностью телок и более высокими
экономическими показателями. Самые благоприятные результаты получены
при выращивании телок на брикетах клеверотимофеечной резки.
Работами В. Ф. Красоты и В. П. Попова (1981—1986) было показано, что
подкормка телят черно-пестрой породы балансирующими витаминноминеральными добавками не только улучшала развитие молодняка, но и повышала уровень и стабильность комплекса факторов естественной
резистентности.
Обобщение материалов, полученных в исследованиях на различных видах и
породах животных, дает возможность сделать вывод, что в задачу генетики
входит разработка методов, позволяющих выявлять наследственную патологию
(аномалии, уродства, болезни), устанавливать показатели, характеризующие
степень резистентности животных или их предрасположенность к
заболеваниям. Имеющиеся в этом направлении достижения науки и практики
подтверждают возможность осуществления селекционно-генетического
оздоровления отдельных групп и популяций животных. Контрольные
вопросы. 1. Дайте характеристику неспецифической и специфической защитной
функции организмов и укажите, какие органы несут ведущую роль в создании
этих функций. 2 Клеточные факторы защиты, роль клеток белой крови, их
развитие в онтогенезе 3. Иммуноглобулины, их классы, место синтеза и
основные особенности в структуре молекулы, 4. Наследственные болезни у
основных видов сельскохозяйственных животных. 5. Методы выявления
наследственных аномалий и болезней. 6. Использование индекса генетической
устойчивости в селекции скота. 7. Генетический полиморфизм белковых систем
у птицы и связь с ними резистентности.
ГЛАВА 16. ИММУНОГЕНЕТИЧЕСКИЙ И БИОХИМИЧЕСКИЙ БЕЛКОВЫЙ
ПОЛИМОРФИЗМ
Генетический полиморфизм отражает важнейшие особенности внутривидовой
и межвидовой изменчивости, обусловленной наследственностью. Под
генетическим полиморфизмом понимают наличие в популяции одновременно
нескольких аллельных состояний гена конкретного локуса, определяющих
формирование разных фенотипов данного признака. Термин «полиморфизм»
введен Е. Фордом в 1945 г. применительно к различным признакам,
обусловленным наследственностью.
Наличие в локусе нескольких аллельных состояний гена увеличивает
генетическую изменчивость в популяции и сопровождается образованием
гетерозиготных генотипов, которые благоприятствуют выживанию
гетерозиготных особей Гетерозиготность локуса делает возможным подавление
доминантным аллелем А вредных рецессивных аллелей а (А>а) или создание
преимущества для организма за счет сверхдоминирования, когда
генотип Аа оказывает большее положительное влияние, чем генотип АА
(Аа>АА).
Гетерозиготность локуса может проявляться как в структурах иммунных систем
антигенов, повышая защитные функции организма, так и в виде
биохимического полиморфизма, когда разнообразие белковых или
ферментных веществ, обусловленных разными аллелями данного локуса,
создает в организме возможности более гибкого взаимодействия со средой
В практике селекции важное значение имеет обнаружение проявляющих
полиморфизм наследственно обусловленных признаков, которые либо сами
являются предметом селекции, либо используются в косвенной селекции в
качестве генетических маркеров хозяйственно полезных признаков, на
совершенствование которых должна быть направлена селекция
Наследственно детерминированные биологические системы, такие как
иммуногенетические образования в виде групп крови, а также генетически
обусловленные полиморфные биохимические вещества (белки и ферменты
крови, молока и других тканей организма), подтверждают наличие
генетического полиморфизма. Их применение основано на том, что группы
крови и полиморфные системы белков не изменяются в процессе онтогенеза и
являются пожизненной генетической характеристикой каждой особи.
Иммуногенетика. Новое направление в иммунологии начало формироваться с
открытием К. Ландштайнером в 1900 г специфических реакций эритроцитов
крови, происходящих при переливании крови у человека. Было показано, что
существует определенная система эритроцитарных групп, которые были
названы группами крови. К настоящему времени у человека зарегистрировано
14 эритроцитарных систем групп крови. Генетику групп крови начали
исследовать Дунгер и Гиршфельд (1910 г.), затем это было дополнено и
получило объяснение в работах Бернштейна (1924 г.)
В 1947 г новое направление в биологии было названо иммуногенетикой. В
основе ее объединены иммунологические и генетические методы, выявляющие
особенности реакции между эритроцитарными антигенами и антителами.
Иммуногенетические исследования применительно к животным были начаты в
работах американских исследователей Оуэна, Стормонта и Ирвина (1944), затем
Неймана и Серенсена (1956), Ренделя (1958). С 1957 г создана школа
иммуногенетиков в Чехословакии (Матоушек) В 60-х годах развернуты
исследования в Венгрии (Ромвари и др., 1961), в ГДР (Буш, 1963), Японии
(Хосода, 1965) и в других странах
В нашей стране исследования в области иммуногенетики у
сельскохозяйственных животных были начаты в 60-е годы. В настоящее время
работа проводится во всех научно-исследовательских институтах
животноводства союзных республик и во многих учебных
сельскохозяйственных институтам Изучение антигенов эритроцитов
осуществляется в племенных хозяйствах у всех основных видов
сельскохозяйственных животных: крупного рогатого скота, лошадей, свиней,
овец, птицы, пушных зверей, рыб. В последнее десятилетие в сферу
иммуногенетических исследований вошло изучение антигенов белых клеток
крови, спермиев и ряда других биологических объектов.
Особенности генетики эритроцитарных антигенов. Для изучения и
тестирования эритроцитарных антигенов в иммуногенетике применяют методы
серологических реакций: реакции гемолиза эритроцитов, агглютинации,
преципитации и др. С помощью этих тестов определяют индивидуальную
антигенную характеристику у отдельных особей. Эритроцитарные антигены еще
называют «кровяными факторами»
Эритроцитарные антигены представляют собой сложные биополимерные
макромолекулы, которые накапливаются на оболочке (строме) эритроцитов и
соединяются с молекулами веществ оболочки. Структура и химический состав
эритроцитарных антигенов разнообразны и характерны для каждой особи того
или иного вида. Молекулы антигенов содержат мукополисахаридные
комплексы, Основа биосинтеза эритроцитарных антигенов определяется
действием генов и структурами ДНК и РНК.
Антигены имеют различную специфичность: видовую, групповую, типовую,
патологическую, органоидную, функциональную. Антигенные особенности
обусловлены последовательностью и качественными различиями аминокислот,
а также особенностями строения первичной полипептидной молекулы
антигена. На поверхности молекулы антигена имеются наиболее активные
участки — детерминантные группы, которые определяют специфичность
антигена.
Синтез каждого эритроцитарного антигена обусловлен действием одного гена.
Антиген может наследоваться отдельно от других антигенов, проявляя чаще
всего доминантный или кодоминантный тип наследования, и только в редких
случаях наблюдается рецессивное наследование некоторых антигенов. Кроме
отдельного наследования каждого антигена, наблюдается совместное
наследование определенного сочетания нескольких антигенов. Это явление
вызвано полным сцеплением тех генов данного локуса, которые
детерминируют синтез совместно наследуемых антигенов.
Системы антигенных локусов группы крови и антигены с 1928 г. принято
обозначать буквами латинского алфавита. Антигены обозначают прописными
или строчными буквами латинского алфавита, но так как число антигенов
велико и букв алфавита не хватает, их записывают с надстрочными или подстрочными индексами в виде штриха или цифры. Например, разные антигены
получают обозначения: А, В, С, D, А1, В1 С1 D1 и т. п. Следует помнить, что А и
А1 или D и D1 — это разные антигены, не связанные ни генетически, ни
иммунологически друг с другом. Иногда антиген обозначают двумя буквами:
строчной и прописной; так, некоторые антигены свиней записывают
следующим образом: Ea, Ее, Ed.
Антигены некоторых систем образуют группы с определенной комбинацией
входящих антигенов — феногруппы. Число антигенов в феногруппе системы
локуса В включает 12 антигенов: В, G, К, О2, Y1, А´, В', Е3', G', К', О', Y'. Для
упрощения записи таких феногрупп вводят цифровой код, поэтому указанная
феногруппа обозначается буквой системы и кодовым числом: В28.
Одиночные или сцепленно наследуемые в виде постоянного сочетания
антигены, которые передаются от родителей потомкам как наследственные
единицы, называют группами крови.Каждая группа крови наследуется как
определенная генетическая единица. В состав конкретной группы крови может
входить один или несколько антигенов. Например, упомянутая феногруппа 528
из системы B крупного рогатого скота участвует в образовании группы крови со
следующим антигенным составом. В, G, К, 02 ,Y1, A', E3', К'.
Контроль каждой группы крови обусловлен действием генов одного локуса и
его аллелями.
Под аллелем подразумевают такой элемент генетической системы организма,
который характеризует различные состояния гена определенного локуса. Ген
может иметь один аллель или несколько, и тогда образуется серия аллелей
данного гена. Каждое животное в генотипе соматических клеток идет два
аллеля локуса — один от матери, другой от отца, В иммуногенетике аллелем
служит один антиген или комплекс антигенов, передаваемый как одно целое от
родителей потомку. Если отсутствует один из аллелей, то такое состояние гена в
локусе считается рецессивным и тогда генотип животного выражают в виде
дроби, в числителе и знаменателе которой для отсутствующего аллеля ставят
прочерк. Например, при наличии одного аллельного состояния антигена А и
отсутствии его второго аллеля генотип животного записывают так: А/ — или —
/А.
Совокупность групп крови, контролируемых аллелями одного локуса,
образует систему крови. Каждой системе крови присваивают определенное
буквенное обозначение. Число уже открытых систем и входящих в каждую
антигенов у животных разных видов неодинаково (табл. 41).
Системы групп крови подразделяют на простые, сложные, закрытые,
открытые Если система содержит один-два антигена и имеет два аллеля — это
простая система; например, у крупного рогатого скота это системы L, N.
Сложная система характерна тем, что в нее входят три антигена и более,
образующих комплексные группы (системы В, С у крупного рогатого скота).
Закрытые системы отличаются тем, что генотипы животных можно выявить по
антигенам эритроцитов. Открытые системы — это системы групп крови» при
которых генотип животного можно установить по фенотипу только у некоторых
гомозигот.
Эритроцитарные антигены и группы крови изучены у ряда других видов
животных: кроликов, норок, крыс, мышей, собак, уток, индеек, верблюдов,
северных оленей, рыб, китов и др.
Каждая генетическая система крови определяется аллелями какого-либо
одного локуса и наследуется независимо одна от другой. При этом каждый
аллель определяет образование одного эритроцитарного антигена. Если локус
имеет два аллельных состояния, то это вызывает формирование двух или трех
генотипов и соответствующее количество фенотипов, например, си- .