П.Д.Завірюха

Сборник тестов

Технический редактор Н.В. Сергеева

Компьютерный набор и верстка О.Н. Полищук, С.В. Горловой

Сдано в набор 12.01.2010. Подписано в печать 19.02.2010.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.

Гарнитура Times New Roman. Ризография. Усл. печ. л. 8,25.

Тираж 100 экз. Заказ

Издательство Белгородского университета потребительской кооперации

308023, г. Белгород, ул. Садовая, 116а

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

для лабораторних занять та самостійної роботи

з дисципліни "Лісова селекція з основами генетика"

напрямку підготовки 6.090103

"Лісове та садово-паркове господарство”

Частина 1. Генетика

Львів – 2012

Методичні вказівки розглянуто на засіданні кафедри лісових культур і лісової селекції (протокол № … від 200 р.), методичною радою лісогосподарського факультету Національного лісотехнічного університету України (протокол № від 200 р.) та рекомендовано до друку і використання в навчальному процесі.

Автор– кандидат сільськогосподарських наук, доцент кафедри лісових культур та лісової селекції Національного лісотехнічного університету УкраїниО.Т. Данчук

Рецензенти – доктор біологічних наук, професор, завідувач кафедри лісівництва Національного лісотехнічного університету України

Г.Т. Криницький;

кандидат сільськогосподарських наук, професор, завідувач кафедри генетики, селекції та захисту рослин Львівського Національного аграрного університету

П.Д.Завірюха

Вступ

Предмет «Лісова селекція з основами генетики», вивчення якого є важливою складовою частиною підготовки фахівців лісового господарства, об’єднує дві наукові дисципліни. Перша з цих дисциплін має професійно орієнтоване спрямування. Це лісова селекція - наука, яка вивчає способи та методи покращення кількісних і якісних показників деревних порід, а також створення нових сортів на основі цілеспрямованого використання явищ спадковості, мінливості та управління ними. Теоретичною основою лісової селекції є генетика, що будучи дисципліною біологічного спрямування, як самостійна наука ставить за мету вивчення закономірностей в явищах спадковості та мінливості організмів і розкриття їх біохімічної природи.

Переведення лісовирощування на селекційну основу ‒ це сучасний науково обгрунтований шлях збільшення комплексної продуктивності та якісних характеристик лісів за умови одночасного забезпечення біологічної стійкості деревостанів та виконання ними інших економічних, екологічних та соціально важливих функцій. Вивчення селекції як навчальної дисципліни є невід'ємною складовою частиною підготовки кваліфікованих фахівців лісового господарства, а набуті ними знання обов’язково матимуть застосування в майбутній практичній роботі.

Метою вивчення дисципліни студентами лісогосподарського факультету є набуття комплексу знань про закономірності спадковості та мінливості на всіх рівнях організації живого та використання цих знань в практиці ведення лісового господарства.

У процесі вивчення дисципліни студент повинен оволодіти науковими основами генетики та лісової селекції і набути фундаментальних, предметно-видових, загально-функціональних та виховних знань і вмінь, серед яких основними є такі:

‒ розуміння біологічних механізмів передачі спадкових ознак від батьківських рослин до потомства, джерел та факторів генотипової і фенотипової мінливості організмів та практичного їх використання в селекційному процесі;

‒ оволодіння загальною схемою селекційного процесу на основі використання методів добору, гібридизації, мутагенезу, поліплоїдії, генетичної інженерії; пізнання шляхів і методів переведення лісового насінництва на генетико-селекційну основу;

‒ вміння виявляти різновиди, форми, біотопи, які мають господарську цінність;

‒ вивчення порядку організації, технології виконання робіт, ведення документації під час проектування та створення об’єктів лісонасіннєвої бази;

‒ набуття практичних навиків проведення генетичного аналізу вихідного селекційного матеріалу, прогнозування успадкування ознак та властивостей організмів, визначення генотипової та фенотипової складових мінливості та спадковості, розрахунків щодо стану та змін генетичної структури популяцій, проектування генетико-селекційних об’єктів і т.ін.

Виконаня комплексу лабораторних занять в процесі вивчення дисципліни допоможе студентам краще засвоїти теоретичний лекційний матеріал та набути необхідних професійних навиків.

Практичне заняття № 1

БУДОВА ТА ФУНКЦІЇ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ.

ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНЕТИЧНОГО МАТЕРІАЛУ

Мета заняття: вивчити види, особливості будови та функції нуклеїнових кислот; склад хроматину та морфологію хромосом; засвоїти основні генетичні поняття, які використовують для характеристики хромосомного набору виду (організму).

У всіх видів організмів функцію носіїв спадкової інформації виконують нуклеїнові кислоти в формі молекул дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) і лише у окремих вірусів- рибонуклеїнової кислоти (РНК). За своєю хімічною природою нуклеїнові кислоти- високомолекулярні біополімери, що структурно складаються з нуклеотидів.

У будові нуклеотидів виділяють три основні складові частини: азотисту основу, дезоксирибозу (молекули ДНК) або рибозу (молекули РНК) та залишок фосфорної кислоти. Нуклеотиди, послідовно з’єднуючись, формують поліонуклеотидні ланцюги (рис. 1).

При цьому молекули ДНК‒ дволанцюгові, а РНК‒ одноланцюгові. Структурно молекули ДНК складаються з таких типів нуклеотидів: аденіну, тиміну, гуаніну та цитозину. У молекулах РНК аденін, цитозин та гуанін доповнює урацил.

Рис.1. Схема будови полінуклеотидних ланцюгів молекули ДНК.

Формування в структурі молекул ДНК та РНК поліонуклеотидних ланцюгів можливе на основі т.з. «фосфодиефірних містків».

Особливістю будови ДНК є наявність в її структурі двох комплементарних поліонуклеотидних ланцюгів. Ці ланцюги характеризуються протилежною полярністю (відповідно 5`-3` та 3`-5`), що зумовлює напрям послідовного включення нуклеотидів до складу молекули в процесі її біохімічного синтезу. Утримання ланцюгів разом у формі т.з «дуплекса» як цілісної структури можливе завдяки хімічним зв’язкам між азотистими основами комплементарних нуклеотидів сусідніх ланцюгів. Сутність принципу комплементарності ґрунтується на здатності до утворення специфічних зв’язків виключно між аденіном та тиміном та між цитозином та гуаніном.

У просторовому плані молекула ДНК має форму подвійної спіралі, оскільки два її поліонуклеотидні ланцюги закручені один навколо одного та навколо спільної уявної осі. Просторова структура молекул ДНК в умовах фізіологічного оптимуму відзначається стабільністю і представлена т.з. В-формою. Зазначена форма ДНК формує правозакручену спіраль, на один оберт якої припадає ̴ 10,5 пар комплементарно зв’язаних нуклеотидів. Діаметр її молекули є майже постійним, а відстань між парами нуклеотидів, що знаходяться всередині цієї спіралі, становить 0,34 нм. Між площиною, в якій розміщуються комплементарні пари основ та перпендикуляром до осі спіралі, є незначний нахил, а кожна наступна пара нуклеотидів зміщена відносно попередньої приблизно на 35˚. У межах молекули ДНК окремі параметри її просторової моделі можуть дещо змінюватися залежно від того, які саме нуклеотиди та їх послідовності представлені на конкретній ділянці. Крім В-форми ДНК, у природі трапляються А-форма ДНК та Z-форма ДНК.

Розміри та молекулярна маса окремих молекул ДНК у межах клітини та у різних біологічних видів суттєво варіюють, але параметри конкретних молекул відзначаються досить високим рівнем стабільності як впродовж онтогенезу організму, так і в наступних його поколіннях.

Структура та функції РНК. Різноманіття РНК в організмах представлене трьома основними функціональними типами молекул:

‒ інформаційна або матрична (і-РНК або м-РНК);

‒ транспортна (т-РНК);

‒ рибосомна (р-РНК).

Кожний з зазначених типів молекул РНК забезпечує виконання специфічних функцій, пов’язаних з процесами реалізації клітинами генетичної інформації.

Молекули м-РНК, будучи комплементарними одноланцюговими копіями окремих ділянок “змістовного” ланцюга ДНК, забезпечують передачу генетичної інформації від молекул ДНК на рибосоми, де вона використовується як інформаційна матриця в процесі синтезу рибосомами білків.

Транспортні РНК забезпечують процеси білкового синтезу в клітині шляхом постачання на рибосоми необхідних амінокислот, з яких будуються молекули поліпептидів, котрі є структурною основою всіх типів білків. Схему структурної будови молекул

т-РНК представлено на рис. 3.

Рис. 3.

У її складі вирішальну роль відіграє наявність антикодонової петлі та акцепторного закінчення, які безпосередньо забезпечують виконання молекулою покладених на неї функцій. Завдяки досить складній конфігурації цієї молекули, в її структурі розрізняють як одноланцюгові, так і подвійноланцюгові ділянки, причому останні здатні утворювати також і подвійну спіраль.

Молекули р-РНК становлять основний складовий матеріал, з якого побудовані рибосоми (органели клітин, на яких відбувається синтез білків). За своєю будовою це одноланцюгові молекули, але вони також можуть утворювати ділянки зі спареними основами за типом, подібним до описаного в молекулах т-РНК.

Генетична інформація на молекулах ДНК та м-РНК зашифрована в формі послідовності нуклеотидів т.з. змістовного або «плюс- ланцюга».

Молекули ДНК у клітинах організмів найімовірніше ніколи не перебувають у вільному чи т.з. «чистому» стані, а утворюють комплекси з білками та різноманітними низькомолекулярними катіонами- іонами металів, ди- та поліамінів, а також основними амінокислотними залишками білків. Електростатичні сили, що виникають на цій основі, зумовлюють конденсацію ДНК, унаслідок якої молекули ДНК формують складні нуклеопротеїнові комплекси, що мають назву хроматину. На різних етапах клітинного циклу хроматин та його основні складові ‒ молекули ДНК, зазнають структурних змін.

Молекули ДНК, утворюючи єдиний нуклеопротеїновий комплекс з супутніми їм білками-гістонами, спочатку формують нуклеосоми як елементарні структурні одиниці організації хроматину, а пізніше ‒ фібрили, які є основною формою хроматину під час інтерфази. Подальша їх «суперспіралізація» та компактизація хроматину на ранніх етапах мітозу або мейозу поступово приводить до формування особливих структурних утворів‒ хромосом. Кожна окремо взята хромосома є формою структурної організації відповідної молекули ДНК, що притаманна клітині на певних етапах клітинного циклу.

Основну частину маси хроматину становлять т.з. білки-гістони. У складі хроматину вони представлені п’ятьма різними типами (фракціями): Н1, Н2А, Н2В, Н3 і Н4. Вказані білки в комплексі з ділянками молекули ДНК здатні утворювати особливі структурні одиниці- нуклеосоми (рис.4). Крім білків-гістонів у складі хроматину присутні тимчасово або постійно і негістонові білки. Зокрема, це ферменти, які необхідні для забезпечення процесів реплікації ДНК та експресії генів.

Рис. 4.

Ген ‒ це одиниця спадкової інформації, що структурно є строго визначеною частиною молекул ДНК або м-РНК, у послідовності нуклеотидів яких міститься закодована інформація про певні функціональні продукти білкової природи, котрі забезпечують прояв відповідних ознак та властивостів організму, а також інформація, яка уможливлює синтез білкових продуктів. Гени за своєю суттю виступають дискретними носіями спадкової інформації організму і становлять окремі змістовні ділянки ДНК, у яких закодована первинна структура білків.

Генотип ‒ термін, під яким розуміють сукупність генів організму. Ділянки молекул ДНК, які відповідають окремим генам, можуть бути представлені як безперервними послідовностями нуклеотидів, так і окремими кодуючими фрагментами, що розділені між собою послідовностями нуклеотидів, які не містять такої інформації.

Геном ‒ це сукупність послідовностей ДНК у клітинах певного організму. У структурі геному еукаріот кодуючі послідовності (екзони) займають лише близько 1.5%. Решту послідовностей нуклеотидів припадає на міжгенну ДНК, яка охоплює регуляторні ділянки, багаточисельні повтори окремих фрагментів та беззмістовні ділянки (інтрони).

Сукупність морфологічних ознак хромосом клітини та їх кількість формує каріотип. Каріотип організму характеризують кількісними та якісними показниками, тобто числом хромосом і їх морфологічними особливостями ‒ розміром, формою, місцем локалізації первинної перетяжки (центромери) та вторинних перетяжок, характером забарвлення окремих фрагментів хромосом, наявністю або ж відсутністю т.з. «супутників» і т.ін.

Кожному біологічному виду притаманний властивий тільки йому каріотип. Хромосомний набір різних біологічних видів як правило варіює в значних межах, але в окремих випадках він може характеризуватися і однаковою кількістю хромосом (табл.).

Таблиця