Геномные мутации: полиплоидия и анеуплоидия

Пшеница, из которой пекут хлеб, несёт в каждой клетке шесть наборов хромосом — 42 хромосомы вместо обычных для злаков 14. Её геном в пять раз больше генома человека. Банан из магазина — триплоид, и поэтому у него нет семян. Земляника садовая — октоплоид с восемью наборами хромосом. А у человека лишняя копия всего одной, самой маленькой хромосомы приводит к синдрому Дауна. Изменения числа хромосом называют геномными мутациями. У растений они создали многие культуры, на которых держится земледелие, у животных и человека — обычно вызывают тяжёлые нарушения развития.

Это девятая статья серии «Изменчивость: генотип, среда и мутации» (предыдущая — «Хромосомные мутации: делеции, дупликации, инверсии, транслокации»). В ней разобраны виды геномных мутаций — полиплоидия, анеуплоидия, гаплоидия, — нерасхождение хромосом в мейозе и митозе, синдромы Дауна, Тёрнера, Клайнфельтера и другие, зависимость частоты анеуплоидий от возраста матери, авто- и аллополиплоидия, опыт Карпеченко, происхождение пшеницы, использование полиплоидии в селекции и её роль в эволюции растений.

• 1. Что такое геномные мутации
• 2. Сколько хромосом у человека: история одной ошибки
• 3. Причина: нерасхождение хромосом
• 4. Синдром Дауна
• 5. Почему лишняя хромосома вредна
• 6. Пренатальная диагностика анеуплоидий
• 7. Другие анеуплоидии у человека
• 8. Синдромы Тёрнера и Клайнфельтера подробнее
• 9. Что анеуплоидии рассказали об определении пола
• 10. Полиплоидия
• 11. Опыт Карпеченко: редька, капуста и «рафанобрассика»
• 12. Как возникла пшеница
• 13. Треугольник У: родство капустных
• 14. Полиплоидные культуры на нашем столе
• 15. Полиплоидия в селекции
• 16. Управление числом хромосом в рыбоводстве
• 17. Полиплоидия у животных
• 18. Гаплоидия
• 19. Анеуплоидия у растений и в генетике
• 20. Анеуплоидия у грибов и одноклеточных
• 21. Полиплоидия и эволюция
• 22. Мейоз у полиплоидов
• 23. Новые виды на глазах у людей
• 24. Есть ли предел у гигантизма полиплоидов
• 25. Как выявляют геномные мутации
• 26. Мозаики и химеры по числу хромосом
• 27. Что повышает частоту геномных мутаций
• 28. Нерасхождение хромосом в задачах линии 28
• 29. Число хромосом в клетках растений: типичные расчёты
• 30. Сравнение трёх уровней мутаций
• 31. Итог: что важно знать
• 32. Частые ошибки
• 33. Интересные факты
• 34. Частые вопросы
• 35. ЕГЭ
• 36. Для олимпиад
• 37. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое геномные мутации

Чтобы говорить о геномных мутациях, нужно помнить два понятия. Гаплоидный набор (n) — один полный набор разных хромосом, как в гаметах. Основное число хромосом (x) — число хромосом в одном наборе у предковой формы; у диплоидных видов n = x. У человека n = 23, соматические клетки диплоидны: 2n = 46. У ржи x = 7, 2n = 14; у мягкой пшеницы x = 7, но 2n = 6x = 42.

Полиплоидией называют увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному (3n, 4n, 6n…). Анеуплоидия (гетероплоидия) — изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному: лишняя или недостающая одна или несколько хромосом.

2. Сколько хромосом у человека: история одной ошибки

Чтобы говорить о «лишних» хромосомах, нужно точно знать нормальное число. Но долгое время его знали неправильно. В 1923 г. американский цитолог Теофилус Пейнтер, рассматривая срезы семенников, насчитал у человека 48 хромосом, и это число три десятилетия переписывали из учебника в учебник. Хромосомы на срезах наслаивались друг на друга, и сосчитать их точно было трудно.

В 1955 г. в шведском Лунде цитологи Джо Хин Тио и Альберт Леван применили новые приёмы: выращивали клетки в культуре, останавливали их деление колхицином в метафазе, когда хромосомы наиболее компактны, и обрабатывали гипотоническим раствором, от которого клетки набухали, а хромосомы раскладывались свободно. На таких препаратах Тио сосчитал 46 хромосом. Статья вышла в 1956 г. [1]. Через три года, пользуясь той же техникой, Лежен и его коллеги нашли у детей с синдромом Дауна 47 хромосом. Так метод подсчёта хромосом открыл эпоху медицинской цитогенетики.

3. Причина: нерасхождение хромосом

Почти все геномные мутации возникают из-за нарушения расхождения хромосом при делении клетки.

• Нерасхождение в мейозе I — гомологичные хромосомы пары не расходятся и вместе отходят к одному полюсу. Из такой клетки образуются гаметы n + 1 (с двумя хромосомами пары) и n − 1 (без хромосомы этой пары).
• Нерасхождение в мейозе II — не расходятся сестринские хроматиды; тоже возникают гаметы n + 1 и n − 1 (наряду с нормальными).
• При оплодотворении нормальной гаметой гамета n + 1 даёт трисомную зиготу (2n + 1), гамета n − 1 — моносомную (2n − 1).
• Полное нерасхождение всех хромосом (например, если не образовалось веретено деления) даёт клетки с удвоенным набором: в мейозе — диплоидные гаметы (2n), в митозе — тетраплоидные клетки (4n).
• Нерасхождение в митозе у зародыша даёт мозаика — организм с частью нормальных и частью анеуплоидных клеток.

Нерасхождение хромосом впервые описал Калвин Бриджес в 1916 г. у дрозофилы [2]. Он заметил, что у самок с белыми глазами иногда рождаются белоглазые дочери и красноглазые сыновья, что противоречило схеме сцепленного с полом наследования. Бриджес предположил, что у таких самок X-хромосомы иногда не расходятся в мейозе, и цитологически подтвердил это, найдя у исключительных мух XXY и X0. Эта работа стала одним из решающих доказательств хромосомной теории наследственности: необычное поведение хромосом точно соответствовало необычному наследованию признаков.

4. Синдром Дауна

На рисунке кариограмма ребёнка, в которой 47 хромосом: в 21-й паре три хромосомы (цифра 1), половые хромосомы — X и Y (цифра 2). Кариотип 47,XY,+21 — мальчик с синдромом Дауна. Это самая частая хромосомная болезнь человека: примерно 1 случай на 700–800 новорождённых.

Синдром описал английский врач Джон Лэнгдон Даун в 1866 г. по внешним признакам, а его причину — лишнюю хромосому — в 1959 г. установили французские генетики Жером Лежен, Марта Готье и Раймон Тюрпен [3]. Это было первое открытие хромосомной причины болезни человека. Для синдрома характерны особенности лица (уплощённый профиль, косой разрез глаз, складка у внутреннего угла глаза), снижение мышечного тонуса, умственная отсталость разной степени, часто пороки сердца и кишечника, повышенный риск лейкоза и раннее развитие болезни Альцгеймера. При хорошем уходе и обучении люди с синдромом Дауна живут в среднем более 60 лет, многие получают образование и работают.

Как возникает трисомия 21? Почти всегда (в 90–95 % случаев) лишняя хромосома приходит от матери, чаще всего из-за нерасхождения в первом делении мейоза. Гамета с двумя 21-ми хромосомами (n + 1 = 24 хромосомы) сливается с нормальной гаметой (23 хромосомы), и зигота получает 47. Около 3–4 % случаев — транслокационная форма (лишний материал 21-й хромосомы слит с другой хромосомой, у ребёнка 46 хромосом), около 2 % — мозаичная форма (нерасхождение в одном из первых митозов зародыша; у ребёнка часть клеток нормальна, симптомы обычно мягче).

Возраст матери

Вероятность рождения ребёнка с трисомией 21 резко растёт с возрастом матери [4]:

Причина связана с особенностями оогенеза. Мейоз в будущих яйцеклетках начинается ещё у плода женского пола, затем останавливается на стадии профазы I и возобновляется только перед овуляцией — через 15–45 лет. Всё это время гомологичные хромосомы удерживаются вместе белковыми «скрепками» (когезином), которые с возрастом постепенно разрушаются и не обновляются. Хромосомы, у которых было мало перекрёстов или ослабла связь, легче расходятся неправильно. Поэтому с возрастом матери растёт частота всех трисомий, а не только 21-й. От возраста отца частота трисомий почти не зависит.

Почему среди живорождённых встречаются лишь трисомии по 13, 18, 21 и половым хромосомам? Потому что трисомии по другим хромосомам (кроме мозаичных форм) несовместимы с развитием и ведут к гибели зародыша. 21-я — самая маленькая хромосома человека, содержащая лишь около 230 генов, кодирующих белки, поэтому избыток её генов организм переносит относительно лучше.

5. Почему лишняя хромосома вредна

При трисомии в клетке нет ни одного «испорченного» гена: все гены лишней хромосомы нормальные. Почему же развитие нарушается? Дело в балансе. Белки работают в клетке в определённых соотношениях: одни образуют комплексы из нескольких разных субъединиц, другие регулируют работу третьих. Если гены одной хромосомы работают в полуторной дозе (три копии вместо двух), а гены остальных — в обычной, соотношения нарушаются сразу для сотен белков.

При синдроме Дауна некоторые эффекты удаётся связать с конкретными генами 21-й хромосомы. Ген белка-предшественника амилоида APP в трёх копиях приводит к раннему накоплению амилоидных бляшек в мозге — поэтому у людей с синдромом Дауна болезнь Альцгеймера развивается в среднем на 20–30 лет раньше. Ген фермента DYRK1A влияет на развитие нервной системы. Но большинство проявлений, вероятно, результат суммарного небольшого избытка многих генов.

Моносомия ещё тяжелее: одной копии сотен генов не хватает, и проявляются рецессивные мутации, которые были «прикрыты» второй копией. Поэтому моносомии по аутосомам у человека несовместимы с жизнью, а единственная выживающая моносомия — по X-хромосоме, у которой в норме у женщин работает всего одна копия.

6. Пренатальная диагностика анеуплоидий

Поскольку частота трисомий растёт с возрастом матери, во многих странах беременным предлагают обследование. Оно проходит в два этапа.

• Скрининг — безопасные исследования, выделяющие группу повышенного риска: ультразвуковое исследование в 11–14 недель (толщина воротникового пространства плода, наличие носовой кости) и анализ крови беременной на белки и гормоны плаценты. С 2010-х гг. появился анализ фрагментов ДНК плода, свободно циркулирующих в крови матери: по соотношению фрагментов 21-й хромосомы и других хромосом можно с высокой точностью заподозрить трисомию.
• Диагностика — исследование клеток плода, полученных при биопсии ворсин хориона или из околоплодных вод (амниоцентез), с подсчётом хромосом. Эти процедуры дают точный ответ, но связаны с небольшим риском осложнений, поэтому их проводят по показаниям.

Решение о дальнейших действиях принимает семья, и важно, чтобы она получила полную информацию: о самом синдроме, о возможностях помощи, о жизни людей с синдромом Дауна, которые сегодня учатся, работают и живут в среднем более 60 лет.

7. Другие анеуплоидии у человека

Нарушения числа половых хромосом переносятся гораздо легче, чем аутосомные, по двум причинам. Лишние X-хромосомы инактивируются (в ядре видны дополнительные тельца Барра), а Y-хромосома содержит мало генов. Синдромы Тёрнера и Клайнфельтера были описаны врачами по внешним признакам ещё в 1930–1940-е гг., а их хромосомную причину установили в 1959 г. [5], [6].

Интересно, что моносомия 45,X — единственная моносомия, совместимая с жизнью у человека. Но и она в большинстве случаев (около 99 %) приводит к гибели зародыша; рождаются лишь немногие, часто мозаики. Моносомии по аутосомам летальны: одной копии сотен генов недостаточно для развития.

8. Синдромы Тёрнера и Клайнфельтера подробнее

Синдром Тёрнера (45,X) у девочек проявляется низким ростом, недоразвитием яичников (они превращаются в соединительнотканные тяжи), отсутствием полового созревания без лечения, иногда — пороками сердца и почек, крыловидными кожными складками на шее, отёками кистей и стоп у новорождённых. Интеллект обычно нормальный. Лечение гормоном роста в детстве позволяет увеличить итоговый рост, а женские половые гормоны с подросткового возраста — пройти половое созревание. Беременность возможна с помощью донорских яйцеклеток.

Синдром Клайнфельтера (47,XXY) у мужчин проявляется высоким ростом с длинными конечностями, маленькими семенниками, недостатком мужского полового гормона, бесплодием; иногда — увеличением грудных желёз, трудностями в учёбе. Многие мужчины с этим синдромом узнают о нём только при обследовании по поводу бесплодия. Гормональная терапия улучшает самочувствие, а у части больных удаётся найти сперматозоиды в ткани семенника для вспомогательных репродуктивных технологий.

Оба синдрома показывают, что для полноценного развития важна не только Y-хромосома, но и правильное число X-хромосом: у женщин вторая X нужна для развития яичников (часть её генов не инактивируется), а у мужчин лишняя X нарушает развитие семенников.

9. Что анеуплоидии рассказали об определении пола

Анеуплоидии по половым хромосомам помогли выяснить, как определяется пол у разных организмов, — и оказалось, что у человека и дрозофилы механизмы разные.

У человека пол определяется наличием Y-хромосомы: в ней лежит ген SRY, запускающий развитие семенников. Есть Y — развивается мужской организм, сколько бы ни было X; нет Y — женский. У дрозофилы Y-хромосома нужна лишь для плодовитости самцов, а пол определяется соотношением числа X-хромосом и наборов аутосом: при отношении 1 (две X на два набора аутосом) развивается самка, при 0,5 — самец. Эти выводы были сделаны именно на исключительных мухах Бриджеса и на людях с анеуплоидиями. Подробно механизмы определения пола разобраны в статье «Механизмы определения пола».

10. Полиплоидия

Полиплоидия — кратное увеличение числа наборов хромосом. Она широко распространена у растений и редка у животных. Различают два принципиально разных вида.

На рисунке метафазные пластинки клеток нервных ганглиев личинок дрозофилы. Пластинка 1 — нормальная диплоидная клетка: 8 хромосом (две пары V-образных, пара палочковидных и пара мелких точечных). Пластинка 2 — 12 хромосом, три набора: триплоид. Пластинка 3 — 16 хромосом, четыре набора: тетраплоид (такую клетку можно получить удвоением хромосом клетки 1, например действием колхицина). Пластинка 4 — 9 хромосом: одна из пар палочковидных хромосом представлена тремя хромосомами, это трисомия (анеуплоидия), число хромосом не кратно основному.

Как отличить полиплоидию от анеуплоидии на препарате

На метафазной пластинке нужно сделать три шага. 1) Сосчитать хромосомы. 2) Определить основное число — сколько разных по форме хромосом в одном наборе (у дрозофилы x = 4: две V-образные, одна палочковидная, одна точечная). 3) Проверить, сколько копий каждой хромосомы. Если копий каждого типа поровну (по три, по четыре) и общее число кратно x — это полиплоид. Если одна хромосома представлена большим или меньшим числом копий, чем остальные, а общее число не кратно x, — анеуплоид. На пластинке 4 рисунка 9 хромосом: все типы хромосом по две, кроме палочковидной, которых три, — трисомия.

Автополиплоидия

Автополиплоиды — полиплоиды, у которых умножен собственный набор хромосом одного вида (AA → AAAA). Они возникают при нерасхождении всех хромосом в мейозе (образуются диплоидные гаметы) или в митозе (удвоение числа хромосом в клетке, из которой разовьётся побег или зародыш).

Автополиплоиды обычно крупнее диплоидов: у них крупнее клетки, ядра, устьица, пыльцевые зёрна, цветки и плоды. Это явление называют гигантизмом полиплоидов.

На рисунке устьица и пыльцевые зёрна двух растений ржи (2n = 14): 1 — диплоидного и 2 — полученного из него обработкой колхицином. Устьичные клетки и пыльца тетраплоида заметно крупнее: в его клетках вдвое больше хромосом и ДНК, поэтому и ядра, и клетки больше. Соматическая клетка тетраплоидной ржи содержит 28 хромосом, гамета — 14. Если скрестить диплоид (гаметы по 7 хромосом) с тетраплоидом (гаметы по 14), потомки получат 21 хромосому — это триплоиды. Они бесплодны: в мейозе три гомологичные хромосомы каждой группы не могут разойтись поровну, и образуются несбалансированные гаметы.

Чётные автополиплоиды (4n) плодовиты, хотя часто и с пониженной плодовитостью: в мейозе у них могут образовываться не только пары, но и группы из четырёх гомологов, которые иногда расходятся неравномерно. Нечётные (3n, 5n) почти бесплодны. Но человеку это бывает выгодно: бесплодие означает отсутствие семян. Триплоидными являются культурные бананы, многие сорта арбуза «без косточек», некоторые сорта груш, яблонь, тюльпанов, сахарной свёклы.

Аллополиплоидия

Аллополиплоиды (амфидиплоиды) — полиплоиды, объединяющие наборы хромосом разных видов (AA × BB → AB → AABB). Гибрид двух видов обычно бесплоден, потому что хромосомы одного вида не имеют гомологов среди хромосом другого и в мейозе не могут образовать пары. Но если у гибрида удвоить число хромосом, у каждой хромосомы появится гомолог, мейоз нормализуется, и гибрид станет плодовитым.

11. Опыт Карпеченко: редька, капуста и «рафанобрассика»

Впервые плодовитый межродовой гибрид получил советский генетик Георгий Дмитриевич Карпеченко в 1924–1928 гг. [7]. Он скрестил редьку (2n = 18) с капустой (2n = 18). Гибрид F₁ имел 18 хромосом — 9 «редечных» и 9 «капустных» — и был бесплоден: в мейозе хромосомы двух растений не узнавали друг друга и не образовывали пар.

Но среди гибридов изредка появлялись растения, дававшие семена. Карпеченко выяснил, что у них образовывались нередуцированные гаметы с полным набором 18 хромосом, и при их слиянии получался гибрид с 36 хромосомами: 18 редечных и 18 капустных. Теперь у каждой хромосомы был гомолог, мейоз шёл нормально, и растение стало плодовитым. Новое растение назвали Raphanobrassica — «редькокапуста». Оно не скрещивалось ни с редькой, ни с капустой и фактически было новым видом, созданным экспериментально.

Практической пользы «рафанобрассика» не принесла: у неё были корни капусты и листья редьки, а не наоборот, как надеялись. Но опыт имел огромное научное значение: он показал, как в природе могут возникать новые виды — мгновенно, через гибридизацию и полиплоидию. Сам Карпеченко был арестован в начале 1941 г. по делу своего учителя Н. И. Вавилова и в том же году расстрелян; Вавилов погиб в заключении в 1943 г.

12. Как возникла пшеница

Мягкая пшеница — природный аллогексаплоид, результат двух последовательных межвидовых гибридизаций с удвоением хромосом [8].

1. Несколько сотен тысяч лет назад дикая однозернянка (геном A, 2n = 14) скрестилась со злаком из рода эгилопс (геном B, 2n = 14). Гибрид удвоил число хромосом и стал аллотетраплоидом AABB (2n = 28) — дикой полбой. От неё произошли культурная полба и твёрдая (макаронная) пшеница.
2. Около 8–10 тысяч лет назад, уже на полях древних земледельцев Закавказья и Ближнего Востока, тетраплоидная пшеница AABB скрестилась с диким злаком эгилопсом Тауша (геном D, 2n = 14). Гибрид ABD с удвоением хромосом дал гексаплоид AABBDD (2n = 42) — мягкую пшеницу.

Геном D от эгилопса Тауша, растущего в степях и предгорьях, принёс пшенице устойчивость к холоду и засухе и белки, придающие тесту упругость. Благодаря этому мягкая пшеница смогла распространиться далеко за пределы родины и стала главным хлебным злаком мира. Её геном — около 17 миллиардов пар нуклеотидов, в пять с лишним раз больше генома человека, и почти каждый ген в нём представлен тремя «сестринскими» копиями из геномов A, B и D.

Похожим путём возникли многие культурные растения: хлопчатник, рапс (гибрид капусты и сурепицы), табак, арахис, кофе арабика, земляника садовая, банан. По современным оценкам, все цветковые растения в своей истории прошли хотя бы через одно удвоение генома, а у многих групп их было несколько [9].

13. Треугольник У: родство капустных

Классический пример аллополиплоидии у культурных растений описал в 1935 г. корейско-японский ботаник У Нагахару. Он показал, что три диплоидных вида рода капуста — сурепица (геном A, 2n = 20), чёрная горчица (геном B, 2n = 16) и капуста огородная (геном C, 2n = 18) — попарно скрещиваясь и удваивая хромосомы, дали три аллотетраплоидных вида:

• сарептская горчица = A + B, геном AABB, 2n = 36;
• рапс = A + C, геном AACC, 2n = 38;
• эфиопская горчица = B + C, геном BBCC, 2n = 34.

Схему изображают треугольником, в вершинах которого — диплоиды, а на сторонах — аллотетраплоиды. Она получила название «треугольник У». Позже её подтвердили, искусственно синтезировав рапс из капусты и сурепицы. Пример показывает, что аллополиплоидия — не редкая случайность, а обычный путь возникновения видов у растений.

14. Полиплоидные культуры на нашем столе

Дикие бананы — диплоиды с твёрдыми семенами размером с горошину, их мякоть почти несъедобна. Триплоидные формы, бесплодные и потому почти без семян, отобрали древние земледельцы Юго-Восточной Азии и размножали отпрысками корневища.

15. Полиплоидия в селекции

Для получения полиплоидов селекционеры используют колхицин — алкалоид безвременника. Он разрушает нити веретена деления: хромосомы удваиваются, но не расходятся, и клетка оказывается с удвоенным набором. Метод разработали американские ботаники Альберт Блейксли и Эймос Эвери в 1937 г. [10]. Колхицином обрабатывают проростки, почки или семена, а затем отбирают полиплоидные растения по крупным устьицам и пыльце.

Полиплоидия даёт селекционеру несколько возможностей.

• Крупноплодные и урожайные сорта. Тетраплоидная гречиха, тетраплоидная рожь, многие декоративные растения с крупными цветками.
• Бессемянные плоды. Триплоидные арбузы получают, скрещивая тетраплоидное растение с диплоидным; триплоидные гибриды дают плоды без семян. Триплоидная сахарная свёкла отличается высокой сахаристостью.
• Восстановление плодовитости отдалённых гибридов. Удвоение хромосом гибрида пшеницы и ржи дало тритикале (от лат. Triticum — пшеница и Secale — рожь) — первую зерновую культуру, созданную человеком. Она сочетает урожайность и качество зерна пшеницы с неприхотливостью ржи. Значительный вклад в создание тритикале внесли советские селекционеры, в том числе В. Е. Писарев и А. И. Шулындин.
• Восстановление плодовитости полиплоидов-мутантов и создание мостов для переноса генов от диких видов к культурным.

Отечественные учёные много сделали в этом направлении: Карпеченко получил первый плодовитый межродовой гибрид, а позже в нашей стране создали тетраплоидные сорта ржи, гречихи, клевера и триплоидные сорта сахарной свёклы.

16. Управление числом хромосом в рыбоводстве

У рыб оплодотворение внешнее, и икрой легко манипулировать, поэтому рыбоводы научились управлять плоидностью. Если сразу после оплодотворения подвергнуть икру кратковременному тепловому или холодовому шоку либо высокому давлению, второе полярное тельце не отделяется, и зигота сохраняет лишний материнский набор — получаются триплоиды. Триплоидные форели, карпы, устрицы бесплодны, не тратят энергию на созревание половых продуктов, быстрее растут и сохраняют качество мяса в сезон нереста; кроме того, сбежавшие из садков бесплодные рыбы не смешиваются с дикими популяциями.

При гиногенезе икру «оплодотворяют» спермой, облучённой так, что её ДНК разрушена: сперматозоид лишь запускает развитие, а зародыш получает только материнские хромосомы; удвоение набора шоком даёт полностью гомозиготных самок. При андрогенезе, наоборот, облучают икру, и зародыш развивается с хромосомами отца. Эти методы позволяют за одно-два поколения получать чистые линии рыб и потомство одного пола.

17. Полиплоидия у животных

У животных полиплоидия встречается гораздо реже, чем у растений. Причин несколько: у многих животных пол определяется соотношением половых хромосом и аутосом, и полиплоидия его нарушает; животные обычно размножаются только половым путём и не могут, как растения, размножать полиплоидную особь вегетативно; развитие животных строже регулируется, и изменение размеров клеток нарушает строение органов.

Тем не менее полиплоидные виды есть среди рыб (карповые, осетровые, лососёвые — в их истории было удвоение генома), земноводных (некоторые лягушки и жабы), насекомых с партеногенезом, ракообразных. Серебряный карась в некоторых популяциях — триплоид, размножающийся гиногенезом: икра активируется спермой других видов, но ядро сперматозоида не участвует в развитии. В аквакультуре выращивают стерильных триплоидных форелей и устриц: они не тратят энергию на размножение и растут быстрее.

У человека полиплоидия зародыша (триплоидия 69,XXX или 69,XXY) возникает примерно в 1–2 % зачатий и почти всегда ведёт к выкидышу. Зато в некоторых тканях человека полиплоидные клетки — норма: многие клетки печени тетраплоидны, а мегакариоциты костного мозга, образующие тромбоциты, содержат до 64 наборов хромосом. Такое увеличение числа хромосом в отдельных клетках без деления называют эндополиплоидией.

18. Гаплоидия

Гаплоидия — уменьшение числа хромосом до одного набора (n) в клетках организма, который в норме диплоиден. Гаплоидные растения возникают изредка, когда зародыш развивается из неоплодотворённой яйцеклетки. Они мельче диплоидов и почти бесплодны: в мейозе у хромосом нет гомологов, и они расходятся случайно, давая несбалансированные гаметы.

Но для селекции гаплоиды очень ценны. Если удвоить число хромосом гаплоида колхицином, получается удвоенный гаплоид — растение, полностью гомозиготное по всем генам. Обычно, чтобы получить чистую линию самоопылением, нужно 6–8 поколений; с удвоенными гаплоидами — одно-два. Поэтому гаплоиды кукурузы, ячменя, пшеницы, рапса широко используют в современной селекции. Их получают, выращивая растения из пыльцы в культуре тканей или используя особые линии-«индукторы», при опылении которыми зародыш развивается без отцовских хромосом.

У животных гаплоидия — норма для самцов перепончатокрылых насекомых: трутни медоносной пчелы развиваются из неоплодотворённых яиц и гаплоидны (16 хромосом), а матки и рабочие — диплоидны (32). Такой способ определения пола называют гаплодиплоидией. Сперматозоиды у трутней образуются без редукции числа хромосом — митозом.

Гаплоидная фаза доминирует в жизненном цикле многих водорослей, грибов и мхов — для них гаплоидность не мутация, а нормальная стадия развития. Поэтому, говоря о гаплоидии как о геномной мутации, имеют в виду именно организмы, у которых в норме преобладает диплоидная фаза.

19. Анеуплоидия у растений и в генетике

У растений анеуплоиды переносятся легче, чем у животных, особенно у полиплоидов: если в клетке шесть наборов хромосом, лишняя или недостающая хромосома одного набора нарушает баланс генов меньше. Американский генетик Альберт Блейксли в 1920-е гг. получил у дурмана все 12 возможных трисомиков — по каждой хромосоме. Все они отличались от нормальных растений и друг от друга формой коробочек: у каждого трисомика была своя характерная форма. Это наглядно показало, что каждая хромосома несёт свой набор генов, влияющих на признаки.

У мягкой пшеницы получены моносомики и нуллисомики по каждой из 21 хромосомы. Такие линии — важный инструмент генетики: чтобы узнать, в какой хромосоме лежит ген, скрещивают носителя признака с серией моносомиков и смотрят, у какого из гибридов расщепление окажется необычным.

20. Анеуплоидия у грибов и одноклеточных

У многих одноклеточных и грибов анеуплоидия переносится легче и даже бывает полезной. Пекарские дрожжи, выращенные в стрессовых условиях (при высокой температуре, нехватке питательных веществ), часто приобретают лишние копии отдельных хромосом с генами, помогающими выжить. У болезнетворного гриба кандиды при лечении противогрибковым препаратом флуконазолом нередко появляется изохромосома 5-й хромосомы: она несёт лишние копии генов мишени препарата и насоса, выкачивающего его из клетки, и гриб становится устойчивым. Анеуплоидия здесь работает как быстрый способ изменить дозу нужных генов. Похожую роль она играет и в раковых клетках.

В истории дрожжей было и полное удвоение генома: около 100 миллионов лет назад их предок стал тетраплоидом, после чего большинство дублированных генов было утрачено, а оставшиеся пары разделили функции.

21. Полиплоидия и эволюция

Полиплоидия — один из немногих способов мгновенного видообразования. Аллополиплоид, возникший от двух видов, не скрещивается с родительскими видами (потомки получились бы бесплодными гибридами разной плоидности) и сразу оказывается репродуктивно изолированным. По оценкам ботаников, полиплоидия сопровождает около 15 % случаев видообразования у цветковых растений и около 30 % — у папоротников.

Полиплоиды часто лучше переносят суровые условия: среди растений Арктики и высокогорий доля полиплоидов выше, чем в умеренных широтах. Объясняют это тем, что у полиплоидов больше копий каждого гена, гетерозиготность выше, а гибридное происхождение даёт сочетание признаков двух родительских видов.

Древние удвоения генома были и у животных. Ещё Сусуму Оно предположил, а чтение геномов подтвердило, что у предков позвоночных около 500 миллионов лет назад геном удвоился дважды. Поэтому у позвоночных многие гены развития представлены четырьмя копиями там, где у ланцетника — одна (например, четыре кластера генов Hox). Третье удвоение произошло у предков костистых рыб. Удвоения создали «запас» генов, из которого затем развились новые функции.

Таким образом, геномные мутации, губительные для отдельной особи у животных, в эволюции растений и в далёкой истории позвоночных стали важным источником новизны.

22. Мейоз у полиплоидов

Плодовитость полиплоида зависит от того, как ведут себя его хромосомы в мейозе.

• У аллотетраплоида AABB каждая хромосома генома A находит пару в своём геноме A, а каждая хромосома B — в геноме B. Образуются обычные биваленты, мейоз идёт как у диплоида, и растение плодовито. Поэтому аллополиплоиды часто называют амфидиплоидами — «двойными диплоидами».
• У автотетраплоида AAAA четыре гомолога каждого типа могут соединиться в квадривалент или в два бивалента. Квадриваленты иногда расходятся неравномерно (3 : 1), давая анеуплоидные гаметы; поэтому плодовитость автотетраплоидов часто снижена.
• У триплоида AAA три гомолога образуют тривалент или бивалент и одиночную хромосому; расхождение 2 : 1 случайно для каждой группы, и почти все гаметы несбалансированы.

Со временем у древних полиплоидов происходит «диплоидизация»: накапливаются различия между копиями хромосом, копии генов теряются или меняют функции, и мейоз становится похож на диплоидный. Поэтому многие виды, внешне диплоидные (например, кукуруза), в действительности — древние полиплоиды.

23. Новые виды на глазах у людей

Полиплоидное видообразование удалось увидеть не только в опыте, но и в природе.

Примула кьюская. В 1899 г. в Королевском ботаническом саду Кью под Лондоном скрестили два вида примулы — с Гималаев и с Аравийского полуострова. Гибрид был бесплоден и размножался только черенками. Но в 1905 г. и затем снова в 1923 г. на гибридных растениях появились побеги с плодовитыми цветками. Исследования показали, что в них число хромосом удвоилось (с 18 до 36). Так возник плодовитый аллотетраплоид — новый вид Primula × kewensis, ставший классическим примером в учебниках.

Спартина английская. В конце XIX века на побережье Южной Англии местный вид злака спартины скрестился с завезённым из Северной Америки. Бесплодный гибрид размножался корневищами, а затем у него удвоилось число хромосом, и возник плодовитый аллополиплоид Spartina anglica. Новый вид оказался очень конкурентоспособным, быстро расселился по солончакам Европы, а позже был завезён и в другие части света, где стал опасным инвазивным растением.

Козлобородник. В середине XX века в штатах Вашингтон и Айдахо (США) нашли два новых вида козлобородника, возникших как аллотетраплоиды от трёх видов, завезённых из Европы в начале века. Генетики проследили их возникновение почти поэтапно; при этом каждый из новых видов возникал независимо несколько раз в разных местах.

Эти примеры показывают, что полиплоидное видообразование — не теоретическая возможность, а реальный и сравнительно быстрый процесс. Для сравнения: образование нового вида через постепенное накопление мутаций и географическую изоляцию обычно занимает десятки и сотни тысяч лет, а аллополиплоид может стать отдельным видом за одно-два поколения.

24. Есть ли предел у гигантизма полиплоидов

Увеличение числа наборов хромосом не делает растение бесконечно крупнее и продуктивнее. У каждого вида есть оптимальный уровень плоидности. Слишком высокий уровень замедляет деление клеток (на копирование большего количества ДНК нужно больше времени), нарушает мейоз, снижает плодовитость. Например, у сахарной свёклы триплоиды урожайнее и диплоидов, и тетраплоидов, у ржи и гречихи выгодны тетраплоиды, а дальнейшее увеличение плоидности уже не даёт прибавки. Поэтому селекционеры подбирают уровень плоидности для каждой культуры опытным путём.

25. Как выявляют геномные мутации

• Подсчёт хромосом (кариотипирование) в клетках, остановленных в метафазе: у человека — в лимфоцитах крови, у растений — в кончиках корней.
• Определение числа телец Барра в ядрах клеток (например, эпителия щеки): их на одно меньше числа X-хромосом. Метод грубый и сейчас используется редко.
• Косвенные признаки у растений: размер устьиц, пыльцевых зёрен, число хлоропластов в замыкающих клетках устьиц.
• Пренатальный скрининг у человека: анализ крови беременной на гормоны плаценты и ультразвуковое исследование плода позволяют выделить группу риска, а анализ фрагментов ДНК плода в крови матери или исследование клеток плодных оболочек — подтвердить анеуплоидию.
• Проточная цитометрия — измерение количества ДНК в ядрах тысяч клеток; позволяет быстро определить плоидность растений.

26. Мозаики и химеры по числу хромосом

Если нерасхождение хромосом произошло не в мейозе родителя, а в одном из первых митотических делений зародыша, организм оказывается мозаиком: часть его клеток имеет нормальный набор хромосом, а часть — анеуплоидный. Например, при мозаичной форме синдрома Дауна кариотип записывают как 46,XX/47,XX,+21. Проявления синдрома при мозаицизме обычно мягче, и их тяжесть зависит от доли трисомных клеток и того, в каких тканях они находятся.

Мозаицизм по половым хромосомам (например, 45,X/46,XX или 45,X/46,XY) встречается среди людей с синдромом Тёрнера особенно часто. Считается, что многие из тех немногих зародышей 45,X, которые доживают до рождения, — именно мозаики: наличие части нормальных клеток помогает развитию.

Мозаицизм бывает и ограниченным одной тканью. Так, при пренатальной диагностике иногда находят анеуплоидию только в клетках плаценты, тогда как сам плод нормален. Поэтому при обнаружении анеуплоидии в клетках плаценты врачи нередко проводят дополнительное исследование клеток околоплодных вод.

27. Что повышает частоту геномных мутаций

• Возраст матери — главный известный фактор риска трисомий у человека.
• Вещества, нарушающие веретено деления: колхицин, винбластин, некоторые пестициды. В селекции колхицин используют специально, чтобы получить полиплоиды.
• Температурные шоки. Резкое охлаждение или нагревание оплодотворённых икринок рыб нарушает деление и даёт полиплоидных зародышей — так в аквакультуре получают триплоидных рыб.
• Ионизирующее излучение повышает частоту нерасхождения хромосом, хотя больше известно как причина хромосомных перестроек.
• Нарушения в генах, контролирующих деление (гены белков веретена, когезина, контрольных точек клеточного цикла), особенно в опухолевых клетках: большинство опухолей человека анеуплоидны.

Отдельно стоит отметить, что анеуплоидия — одна из главных отличительных черт рака: почти 90 % солидных опухолей содержат клетки с изменённым числом хромосом. Сломанные механизмы деления дают в опухоли пёструю смесь клеток с разными кариотипами, что облегчает её приспособление к лечению.

28. Нерасхождение хромосом в задачах линии 28

В задачах линии 28 иногда встречается нерасхождение половых хромосом при наследовании признаков, сцепленных с полом. Разберём два типичных примера.

Пример 1. У мужчины с нормальным цветовым зрением (X^DY) и женщины-носительницы дальтонизма (X^DX^d) родился сын-дальтоник с синдромом Клайнфельтера. Определите генотип сына и у кого из родителей и в каком делении мейоза произошло нерасхождение.

Решение. Сын XXY и дальтоник, значит, обе его X несут d: X^dX^dY. У отца нет аллеля d, поэтому обе X получены от матери. Мать гетерозиготна (X^DX^d); чтобы яйцеклетка получила две X^d, должны были не разойтись сестринские хроматиды одной хромосомы X^d — во втором делении мейоза. Сперматозоид отца нёс Y.

Пример 2. У дрозофилы белоглазая самка (X^wX^w) скрещена с красноглазым самцом (X^WY). В потомстве изредка появляются белоглазые самки и красноглазые самцы. Объясните.

Решение. Это исключительные мухи Бриджеса. При нерасхождении X-хромосом у самки образуются яйцеклетки X^wX^w и без X (0). X^wX^w + Y от отца → X^wX^wY — белоглазая самка (у дрозофилы XXY — самка). 0 + X^W от отца → X^W0 — красноглазый бесплодный самец. Зиготы X^wX^wX^W и Y0 обычно гибнут.

Общий приём: сначала по фенотипу и полу ребёнка определить его кариотип и генотип, затем выяснить, от какого родителя могли прийти его половые хромосомы с данными аллелями, и только потом — какое деление мейоза нарушилось. Гомологи с разными аллелями в одной гамете указывают на мейоз I, две одинаковые копии одной хромосомы — на мейоз II.

29. Число хромосом в клетках растений: типичные расчёты

В задачах ЕГЭ часто просят определить число хромосом в разных клетках цветкового растения, в том числе полиплоидного. Удобно помнить правила.

• Клетки спорофита (листа, корня, зародыша) — 2n.
• Споры, клетки зародышевого мешка, яйцеклетка, спермии, клетки пыльцевого зерна — n.
• Центральная клетка зародышевого мешка — 2n (два полярных ядра), эндосперм после двойного оплодотворения — 3n.

Если растение полиплоидное, вместо n подставляют число хромосом его гаметы. Пример: у тетраплоидной ржи (4x = 28) гаметы содержат 14 хромосом, клетки листа — 28, эндосперм — 14 × 3 = 42. У мягкой пшеницы (2n = 42): гаметы — 21, клетки зародыша — 42, эндосперм — 63. Подробно двойное оплодотворение разобрано в статье о двойном оплодотворении и развитии семени.

30. Сравнение трёх уровней мутаций

31. Итог: что важно знать

• Геномные мутации — изменения числа хромосом: полиплоидия (кратное увеличение числа наборов), гаплоидия, анеуплоидия (трисомия 2n + 1, моносомия 2n − 1 и др.).
• Главная причина — нерасхождение хромосом в мейозе (дают гаметы n + 1 и n − 1) или в митозе (мозаицизм); полное нерасхождение даёт полиплоидию.
• Синдром Дауна — трисомия 21 (47,+21), частота около 1 : 700–800, растёт с возрастом матери; около 3–4 % — транслокационная форма, около 2 % — мозаичная.
• Синдромы Эдвардса (+18), Патау (+13), Тёрнера (45,X), Клайнфельтера (47,XXY), трисомия X, 47,XYY. Нарушения числа половых хромосом переносятся легче, чем аутосомных.
• Автополиплоиды — умножен свой набор (крупные клетки, нечётные бесплодны); аллополиплоиды — объединены наборы разных видов, удвоение восстанавливает плодовитость гибрида (опыт Карпеченко, тритикале).
• Мягкая пшеница — аллогексаплоид AABBDD (2n = 42), возникший двумя гибридизациями.
• Полиплоиды получают колхицином; в селекции — крупноплодные и бессемянные сорта; гаплоиды — для быстрого получения гомозиготных линий.
• У животных полиплоидия редка; у человека триплоидия ведёт к гибели зародыша, но в отдельных тканях (печень, костный мозг) есть полиплоидные клетки.
• Полиплоидия — путь мгновенного видообразования у растений; древние удвоения генома были у предков позвоночных.

32. Частые ошибки

• «Синдром Дауна — генная мутация». Это геномная мутация — трисомия по 21-й хромосоме (кроме транслокационной формы, которая связана с хромосомной перестройкой у родителя).
• «Полиплоидия — увеличение числа хромосом на одну». Полиплоидия — кратное увеличение числа наборов; увеличение на одну хромосому — трисомия (анеуплоидия).
• «Нерасхождение хромосом — это хромосомная мутация». Нерасхождение приводит к изменению числа хромосом — геномной мутации.
• «Колхицин удваивает хромосомы». Хромосомы удваиваются сами при репликации; колхицин разрушает веретено деления и не даёт им разойтись, поэтому их число в клетке удваивается.
• «Триплоидные растения хорошо размножаются семенами». Нечётные полиплоиды практически бесплодны; их размножают вегетативно (банан) или каждый раз получают скрещиванием (триплоидный арбуз).
• «Гибрид редьки и капусты бесплоден, потому что у него разное число хромосом». У гибрида 18 хромосом, но они негомологичны (9 редечных, 9 капустных) и не образуют пар в мейозе; после удвоения у каждой появился гомолог.
• «При синдроме Тёрнера 47 хромосом». 45 — не хватает одной X-хромосомы (45,X).
• «Риск синдрома Дауна зависит в основном от возраста отца». Основной фактор — возраст матери; лишняя 21-я хромосома в 90–95 % случаев материнского происхождения.
• «Трутни — мутанты-гаплоиды». Для пчёл гаплоидность самцов — норма (гаплодиплоидное определение пола), а не мутация.
• «Число телец Барра равно числу X-хромосом». На одно меньше: у XX — одно, у XXX — два, у XY и X0 — ни одного.
• «У дрозофилы, как у человека, особь XXY — самец». У дрозофилы пол определяется соотношением X-хромосом и аутосом: XXY — самка, X0 — самец.

33. Интересные факты

• Лишнюю хромосому у детей с синдромом Дауна обнаружили, подсчитывая хромосомы в культуре клеток, которую впервые во Франции наладила Марта Готье. Позже она говорила, что её вклад в открытие, приписанное в основном Лежену, был недооценён.
• Земляника садовая — октоплоид (2n = 8x = 56), возникший во Франции в XVIII веке от случайного скрещивания двух американских видов земляники — виргинской и чилийской.
• У папоротника ужовника сетчатого (Ophioglossum reticulatum) рекордное для растений число хромосом — около 1260 в диплоидном наборе: результат многократной полиплоидии.
• Мягкая пшеница настолько «привыкла» к полиплоидии, что переносит утрату целой пары хромосом: нуллисомики по многим хромосомам жизнеспособны, так как недостающие гены есть в двух других геномах.
• Банан, который продаётся в магазинах (сорт Кавендиш), — триплоид без семян; все растения сорта — клоны, и поэтому он очень уязвим для болезней: одна грибковая инфекция может поразить все плантации сразу.
• Тритикале — первый злак, созданный человеком специально; первые плодовитые гибриды пшеницы и ржи получил немецкий селекционер Вильгельм Римпау ещё в 1888 г.
• По оценкам, от 10 до 30 % оплодотворённых яйцеклеток человека имеют нарушения числа хромосом; большинство таких зародышей гибнут до того, как беременность становится заметной.
• Аксолотли, тритоны и многие лягушки легко переносят полиплоидию; из триплоидной икры получаются взрослые животные, хотя и бесплодные.
• Джо Хин Тио, впервые сосчитавший 46 хромосом человека, родился на острове Ява, во время войны был узником японского концлагеря, а открытие сделал в рождественские праздники 1955 г., работая в почти пустой лаборатории в Лунде.
• Рапс, который выращивают ради масла, — аллотетраплоид, возникший всего несколько тысяч лет назад в результате случайной гибридизации капусты и сурепицы; в диком виде он почти не встречается.
• Картофель, вывезенный из Анд в Европу в XVI веке, — тетраплоид; его дикие предки в основном диплоидны. Высокая гетерозиготность тетраплоидного картофеля — одна из причин, почему его размножают клубнями, а не семенами: сеянцы сильно расщепляются.
• Растения-полиплоиды можно узнать по числу хлоропластов в замыкающих клетках устьиц: у тетраплоида их примерно вдвое больше, чем у диплоида того же вида.
• Из-за полиплоидии геномы растений бывают огромными: у вороньего глаза японского (Paris japonica) около 149 миллиардов пар нуклеотидов — в 50 раз больше, чем у человека; ДНК одной его клетки, вытянутая в нить, имела бы длину около 100 метров.
• Синдром Дауна получил название по фамилии описавшего его врача Джона Лэнгдона Дауна, а не от английского слова «down». Сам Даун руководил больницей для людей с умственной отсталостью и одним из первых в Англии стал добиваться для них обучения и ухода вместо простого содержания.
• Международный день людей с синдромом Дауна отмечают 21 марта — 21.03: число указывает на 21-ю хромосому, а месяц — на три её копии.

34. Частые вопросы

35. ЕГЭ

Тема входит в элемент 3.4 кодификатора [11]: «Мутационная изменчивость. Виды мутаций: генные, хромосомные, геномные…». Геномные мутации — одна из самых популярных тем экзамена. В части 1 — определение вида мутации по кариотипу или числу хромосом, задания на синдромы Дауна, Тёрнера, Клайнфельтера, на полиплоидию и анеуплоидию, на число хромосом в клетках и гаметах полиплоидов. В части 2 — объяснение причины трисомии (нерасхождение хромосом), анализ кариограммы, вопросы о бесплодии отдалённых гибридов и восстановлении их плодовитости, о гигантизме полиплоидов, задачи линии 28 с нерасхождением хромосом.

Что обязательно знать к экзамену

• Виды геномных мутаций и их обозначения (3n, 4n, 2n + 1, 2n − 1).
• Механизм нерасхождения хромосом и гаметы n + 1 и n − 1.
• Кариотипы синдромов Дауна, Тёрнера, Клайнфельтера, их проявления.
• Авто- и аллополиплоидию, опыт Карпеченко, действие колхицина.
• Значение полиплоидии для селекции.

Разбор заданий части 1

Задание. Сколько хромосом в соматической клетке тетраплоидной ржи, если у диплоидной ржи 2n = 14? Ответ: 28.

Задание. Установите соответствие между кариотипом и синдромом: А) 47,XY,+21; Б) 45,X; В) 47,XXY; Г) 47,XX,+18. Синдромы: 1) Дауна; 2) Тёрнера; 3) Клайнфельтера; 4) Эдвардса. Ответ: А1, Б2, В3, Г4.

Разбор задания части 2

Задание. По кариограмме ребёнка (три 21-е хромосомы, хромосомы X и Y) определите число хромосом, кариотип и пол. К какому виду мутаций относят изменение? Сколько хромосом имела гамета, участвовавшая в образовании этой зиготы, если вторая гамета была нормальной? При каком нарушении мейоза мог возникнуть такой кариотип?

Ответ. 1) 47 хромосом; кариотип 47,XY,+21; пол мужской. 2) Геномная мутация — анеуплоидия, трисомия по 21-й хромосоме (синдром Дауна). 3) Одна гамета имела 24 хромосомы (две 21-е), другая — 23. 4) Нерасхождение 21-й пары хромосом в анафазе I мейоза (или сестринских хроматид в анафазе II) у одного из родителей, чаще у матери.

Задание. У здоровых родителей (мать — носительница гемофилии) родился сын-гемофилик с кариотипом 47,XXY. Определите генотипы родителей и сына. Объясните, у кого и в каком делении мейоза произошло нерасхождение хромосом. Ответ. 1) Мать X^HX^h, отец X^HY. 2) Сын — гемофилик с двумя X, значит, обе его X несут h: X^hX^hY. 3) Отец аллеля h не имеет, поэтому обе X — от матери. 4) Две одинаковые хромосомы X^h в одной яйцеклетке — результат нерасхождения сестринских хроматид во втором делении мейоза у матери; сперматозоид нёс Y.

Задание. У тетраплоидной гречихи 2n = 32. Сколько хромосом в клетках листа, в спермиях, в яйцеклетке и в клетках эндосперма? Объясните. Ответ. 1) Клетки листа — 32 (спорофит). 2) Спермии и яйцеклетка — 16 (гаметы образуются после мейоза и митозов в гаметофитах, число хромосом вдвое меньше). 3) Эндосперм — 48: он образуется при слиянии спермия (16) с центральной клеткой, содержащей два ядра по 16 хромосом (16 + 16 + 16).

Задание. На рисунке четыре метафазные пластинки клеток дрозофилы: 8, 12, 16 и 9 хромосом. Определите, какой набор хромосом в каждой клетке и к какому виду мутаций относятся изменения. Какая из клеток может образовать нормальные гаметы с 8 хромосомами? Ответ. 1) 8 — нормальный диплоидный набор (2n). 2) 12 — триплоид (3n), полиплоидия. 3) 16 — тетраплоид (4n), полиплоидия; при нормальном мейозе образует гаметы с 8 хромосомами. 4) 9 — трисомия по одной из пар (2n + 1), анеуплоидия. 5) Все изменения — геномные мутации.

Задание. Гибрид редьки (2n = 18) и капусты (2n = 18) бесплоден. Объясните причину. Как Г. Д. Карпеченко получил плодовитый гибрид? Сколько хромосом в его клетках? Ответ. 1) Гибрид содержит 9 хромосом редьки и 9 хромосом капусты; они негомологичны и не конъюгируют в мейозе, поэтому нормальные гаметы не образуются. 2) Карпеченко получил растения с удвоенным набором хромосом (из нередуцированных гамет), в которых у каждой хромосомы есть гомолог. 3) Такой аллотетраплоид имеет 36 хромосом и плодовит, так как мейоз идёт нормально.

36. Для олимпиад

Нерасхождение в мейозе I и в мейозе II

Пусть мать гетерозиготна по маркеру 21-й хромосомы (аллели a₁ и a₂), а отец — a₃a₄. Если у ребёнка с трисомией 21 найдены аллели a₁, a₂ и a₃, лишняя хромосома — от матери, и нерасхождение произошло в мейозе I (не разошлись гомологи с разными аллелями). Если же у ребёнка a₁, a₁ и a₃, — нерасхождение в мейозе II у матери (не разошлись сестринские хроматиды), если в участке у центромеры не было кроссинговера. Такой анализ показал, что около 70 % трисомий 21 возникают из-за ошибки в материнском мейозе I.

Гаметы трисомика

Трисомик AAa (три гомолога, гены вблизи центромеры, кроссинговер не учитываем) образует гаметы по одной или по две хромосомы этой группы. Возможны сочетания: AA, Aa, Aa (две хромосомы) и a, A, A (одна) — в соотношении AA : Aa : A : a = 1 : 2 : 2 : 1. Если пыльца с лишней хромосомой нежизнеспособна (так часто бывает у растений), отцовские гаметы — только A и a в соотношении 2 : 1. Это объясняет необычные расщепления у трисомиков: например, при скрещивании AAa × aa в потомстве отношение доминантного фенотипа к рецессивному 5 : 1 (если все гаметы жизнеспособны).

Расщепление у автотетраплоида

У автотетраплоида AAaa (гены вблизи центромеры) гаметы диплоидны. Из четырёх хромосом A, A, a, a в гамету попадают две, сочетаний C(4, 2) = 6: AA — 1, Aa — 4, aa — 1, то есть AA : Aa : aa = 1 : 4 : 1. При самоопылении доля рецессивных особей aaaa = (1/6)² = 1/36, расщепление по фенотипу 35 : 1 при полном доминировании — значительно реже, чем 3 : 1 у диплоида. Поэтому у полиплоидов рецессивные признаки проявляются редко, а мутации «прячутся».

Число хромосом у гибридов и потомков

Тритикале получают скрещиванием тетраплоидной пшеницы AABB (2n = 28) с рожью RR (2n = 14). Гибрид F₁ ABR имеет 14 + 7 = 21 хромосому и бесплоден; после удвоения — AABBRR, 2n = 42 (гексаплоидная тритикале). Если же скрестить мягкую пшеницу AABBDD (42) с рожью (14), гибрид ABDR имеет 21 + 7 = 28 хромосом, а удвоенный — 56 (октоплоидная тритикале).

Вероятность анеуплоидных гамет

Если вероятность нерасхождения одной определённой пары хромосом в мейозе p, то доля гамет n + 1 по ней — p/2 (при нерасхождении в мейозе I половина продуктов получает лишнюю хромосому, половина — ни одной), и столько же — n − 1. Если у человека 23 пары, и для каждой p = 0,01, то доля гамет с нарушением хотя бы по одной паре ≈ 1 − (1 − 0,01)²³ ≈ 0,21. Реальная частота анеуплоидных яйцеклеток у молодых женщин — порядка 10–20 %, а у женщин старше 40 лет — больше половины, тогда как у сперматозоидов — лишь 1–4 %.

Почему трисомий по большим хромосомам не бывает среди новорождённых

Тяжесть трисомии примерно пропорциональна числу генов в лишней хромосоме. Хромосома 21 содержит около 230 генов, кодирующих белки, 18-я — около 270, 13-я — около 320; это самые бедные генами аутосомы. Трисомии по хромосомам с тысячей и более генов нарушают баланс генов настолько, что зародыш погибает на ранних стадиях; их находят лишь в материале выкидышей. Самая частая трисомия у выкидышей — по 16-й хромосоме: она никогда не встречается у живорождённых.

37. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три примера геномных мутаций: 1) трисомия по 21-й хромосоме; 2) инверсия; 3) тетраплоидия; 4) замена нуклеотида; 5) моносомия по X-хромосоме; 6) делеция участка 5-й хромосомы.

Задание 2

В соматических клетках ячменя 14 хромосом. Сколько хромосом будет у триплоида, тетраплоида, трисомика и моносомика ячменя?

Задание 3

Установите соответствие: А) 3n; Б) 2n + 1; В) 2n − 1; Г) 4n; Д) n. 1) полиплоидия; 2) анеуплоидия; 3) гаплоидия.

Задание 4

Объясните, как в результате нерасхождения хромосом может родиться ребёнок с синдромом Клайнфельтера (47,XXY). Приведите два варианта.

Задание 5

Найдите ошибки и исправьте. 1) Геномные мутации — изменение числа хромосом. 2) Полиплоидия — увеличение числа хромосом на одну. 3) Синдром Тёрнера — кариотип 45,X. 4) Колхицин вызывает полиплоидию, разрушая веретено деления. 5) Триплоидные растения обычно плодовиты.

Задание 6

Почему полиплоидные растения часто крупнее диплоидных?

Задание 7

Как действует колхицин и для чего его используют в селекции?

Задание 8

У ребёнка 45 хромосом, одна X-хромосома. Какой это синдром? Сколько телец Барра в его клетках? Какой пол?

Задание 9

Почему с возрастом матери растёт риск рождения ребёнка с трисомией?

Задание 10

Сколько хромосом в клетках мягкой пшеницы, в её гаметах и в каждом из её трёх геномов?

Задание 11

Чем аллополиплоид отличается от автополиплоида? Приведите примеры.

Задание 12

Как получают бессемянные арбузы?

Задание 13

Почему нарушения числа половых хромосом переносятся легче, чем нарушения числа аутосом?

Задание 14

Пчелиный трутень имеет 16 хромосом, матка — 32. Как это объяснить? Является ли трутень мутантом?

Задание 15

Тетраплоидную рожь (4n = 28) скрестили с диплоидной (2n = 14). Сколько хромосом у потомков? Будут ли они плодовиты?

Задание 16

Что такое удвоенный гаплоид и почему его используют в селекции?

Задание 17

Почему полиплоидия может приводить к образованию нового вида сразу, за одно поколение?

Задание 18

Какие формы синдрома Дауна различают? Какая из них может повторяться в семье?

Задание 19 (олимпиадное)

Каким будет расщепление по фенотипу при самоопылении автотетраплоида AAaa (полное доминирование, гены у центромеры)?

Задание 20 (олимпиадное)

У ребёнка с синдромом Дауна по маркерам 21-й хромосомы найдены аллели a₁, a₂ (от матери) и a₃ (от отца); у матери a₁a₂. У кого и в каком делении мейоза произошло нерасхождение?

Литература

1. Tjio J. H., Levan A. The chromosome number of man // Hereditas. 1956. Vol. 42. P. 1–6. DOI: 10.1111/j.1601-5223.1956.tb03010.x.
2. Bridges C. B. Non-disjunction as proof of the chromosome theory of heredity // Genetics. 1916. Vol. 1. P. 1–52. DOI: 10.1093/genetics/1.1.1.
3. Lejeune J., Gautier M., Turpin R. Étude des chromosomes somatiques de neuf enfants mongoliens // Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences. 1959. T. 248. P. 1721–1722.
4. Hassold T., Hunt P. To err (meiotically) is human: the genesis of human aneuploidy // Nature Reviews Genetics. 2001. Vol. 2. P. 280–291. DOI: 10.1038/35066065.
5. Ford C. E., Jones K. W., Polani P. E. et al. A sex-chromosome anomaly in a case of gonadal dysgenesis (Turner’s syndrome) // The Lancet. 1959. Vol. 273. P. 711–713. DOI: 10.1016/S0140-6736(59)91893-8.
6. Jacobs P. A., Strong J. A. A case of human intersexuality having a possible XXY sex-determining mechanism // Nature. 1959. Vol. 183. P. 302–303. DOI: 10.1038/183302a0.
7. Karpechenko G. D. Polyploid hybrids of Raphanus sativus L. × Brassica oleracea L. // Zeitschrift für induktive Abstammungs- und Vererbungslehre. 1928. Bd. 48. S. 1–85. DOI: 10.1007/BF01740955.
8. Marcussen T., Sandve S. R., Heier L. et al. Ancient hybridizations among the ancestral genomes of bread wheat // Science. 2014. Vol. 345. 1250092. DOI: 10.1126/science.1250092.
9. Otto S. P. The evolutionary consequences of polyploidy // Cell. 2007. Vol. 131. P. 452–462. DOI: 10.1016/j.cell.2007.10.022.
10. Blakeslee A. F., Avery A. G. Methods of inducing doubling of chromosomes in plants by treatment with colchicine // Journal of Heredity. 1937. Vol. 28. P. 393–411. DOI: 10.1093/oxfordjournals.jhered.a104294.
11. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.