Генетические причины мутаций, классификация мутация

2. Генетические  причины мутаций, классификация  мутация

Генетические структуры клетки способны изменяться под влиянием различных физических и химических факторов. Генетически стойкие изменения в генах и хромосомах называются мутациями. Новый организм с изменённым признаком вследствие мутирования гена или перестройки хромосомы называют мутантом. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными для организма.

Большинство из них вредные или даже летальные, например хлоро-фильные мутации.

Мутагенами называют различные физические и химические факторы, с помощью которых получают индуцированные мутации. Из них используют главным образом различного типа излучения и химические вещества.

Основные положения мутационной теории сводятся к следующему:

1. Мутации возникают внезапно  как дискретные изменения признака.

2. Новые формы стабильны.

3. В отличие от ненаследственных изменений мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они являются качественными изменениями.

4. Мутации проявляются  по-разному и могут быть как  полезными, так и вредными.

5. Вероятность обнаружения  мутаций зависит от размера  выборки исследованных особей.

6. Сходные мутации могут  возникать неоднократно.

В зависимости от характера изменения наследственных структур (генома) мутации обычно делят на три основных типа: генные, или точковые, хромосомные перестройки (аберрации) и геномные.

Первые обусловлены изменениями молекулярной структуры мутировавшего гена, т. е. нарушением специфической последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Поскольку они, как правило, не связаны со структурными изменениями хромосом, их возникновение обычно не приводит к серьезным нарушениям конъюгации хромосом в мейозе.

Второй тип мутаций характеризуется разрывами и различными последующими структурными перестройками хромосом. Любое из этих изменений обычно сопровождается проявлением какого-либо нового признака или свойства. Для селекции более важны генные мутации, так как хромосомные перестройки обычно приводят к отрицательным последствиям, в частности к снижению плодовитости из-за нарушений конъюгации хромосом в мейозе.

К мутациям третьего типа относят изменения, связанные с кратным увеличением или уменьшением основного числа хромосом (полиплоидия, гаплоидия), называя их геномными мутациями .

Все типы мутаций в зависимости от характера изменения генетических структур могут быть объединены следующей общей схемой.

 

Мутации могут возникать в разных клетках организма. Но у растений, размножающихся семенами, потомству передаются лишь те из них, которые появляются в зародышевых клетках или в тех соматических клетках, от которых через цепь последовательных делений берут свое начало половые клетки. У вегетативно размножающихся растений мутации, возникающие в соматических клетках, могут передаваться вегетативному потомству и давать начало новым мутантным клонам.

Мутации, возникающие в естественных условиях, называют спонтанными, а искусственно вызванные — индуцированными. Однако доказано, что существуют общие причины спонтанного и индуцированного мутационных процессов.

Мутации являются новыми молекулярными состояниями генов, столь же стойкими, как и гены, из которых они возникли.

Причины возникновения спонтанных мутаций можно разделить на:

• экзогенные (естественная радиация, экстремальные температуры и др.);

• эндогенные (спонтанно возникающие в организме химические соединения-метаболиты, вызывающие мутагенный эффект; ошибки репликации, репарации, рекомбинации; действие генов-мутаторов).

Генные мутации начали объяснять ошибками в работе ферментов матричного синтеза ДНК. Сейчас эта гипотеза получила всеобщее признание. Она позволяет рассматривать и индуцированный процесс как результат вмешательства внешних факторов в нормальное воспроизведение носителей генетической информации, т. е. дает единое объяснение причин спонтанных и индуцированных мутаций. Были открыты гены, мутирование которых может увеличивать или уменьшать частоту как спонтанных, так и индуцированных мутаций.

Частота возникновения мутаций является одной из определяющих черт каждого вида животных, растений и микроорганизмов: одни виды обладают более высокой мутационной изменчивостью, чем другие.

С помощью селекции можно создать линии, которые будут иметь разную спонтанную мутабильность. Влияние генотипа на спонтанную мутабильность отдельного гена проявляется также при гибридизации. Имеются указания на то, что частота мутирования одного и того же локуса выше у гибридных организмов, чем у исходных форм.

В процессе старения семян при хранении в течение нескольких лет частота мутаций, особенно типа хромосомных перестроек, значительно увеличивается. Такого рода факты указывают на то, что спонтанное мутирование гена зависит от физиологических и биохимических изменений клетки, связанных с внешними условиями.

 

Методы индуцированного мутагенеза:

1. Получение мутантов с помощью излучения

Излучения, вызывающие мутации, бывают двух видов: ионизирующие и неионизирующие.

Среди ионизирующих излучений в селекционной работе наиболее широко применяют:

1) рентгеновское излучение;

2) гамма-излучение;

3) нейтронное излучение.

     2. Получение  мутантов с помощью химических  веществ

 

Преимущества метода мутагенеза перед другими методами

селекции.

1. При улучшении одного  или многих признаков существенно  не

перестраивается генотип улучшаемого сорта. При мутагенезе возникает

меньше гетерозиготных локусов в первом поколении, поэтому за более

короткий срок можно получить константно не расщепляющиеся линии.

2. В результате мутаций  у растений могут проявляться новые, ранее неизвестные, полезные признаки, для передачи которых гибридизация является неэффективной. Общий механизм, добавляющий большое число совершенно новых полезных признаков, заключается в том, что мутагены индуцируют перемены таких генов, которые появляются в спонтанном порядке крайне редко или не отмечаются вообще. Если мутанты имеют отдельные положительные отклонения, их используют в скрещиваниях с лучшими сортами или другими мутантами.

3. Действие мутагенов  на генетический аппарат более  упорядочено, чем при спонтанном  мутагенезе. Часть мутагенов совсем  не вызывает хромосомных перестроек.

4. Мутагенезом можно вызывать  взаимные транслокации хромосом у отдалённых гибридов F1, когда естественная рекомбинация не даёт желаемого эффекта. При внутривидовой гибридизации частота рекомбинации тесно сцепленных генов может быть значительно повышена мутагенными факторами. Этим же устраняются нежелательные корреляции между признаками: например, между урожайностью и склонностью к полеганию, поскольку хромосомные перестройки нарушают сцепление генов, определяющих коррелирующие признаки.

 

В результате применения мутагенных факторов возникают различные типы полезных изменений.

Мутанты с повышенной прочностью стебля. Такие мутации выделены у ячменя, пшеницы, овса и риса. Мутагенные факторы вызывают широкую изменчивость растений по высоте растений. Отклонения по данному признаку были получены в опытах с ячменём, пшеницей, овсом, кукурузой и другими культурами.

В селекции широко используют мутантные гены карликовости.

Созданы более скороспелые и устойчивые к болезням мутанты

различных культур. Например, в лаборатории экспериментального

мутагенеза СибНИИСХа у сорта яровой пшеницы Сибаковская 3 по-

лучен с помощью гамма-лучей скороспелый мутант, который созре-

вает на 3–4 дня раньше среднеспелого сорта Саратовская 29 и пре-

вышает по урожайности стандарт на 2,3–3,2 ц/га. Э. Сирс, используя

радиационный метод, в 1956 г. создал устойчивые к бурой ржавчине

формы пшеницы.

С помощью экспериментального мутагенеза можно улучшить качество сельскохозяйственной продукции. Благодаря мутационной селекции могут быть улучшены хлебопекарные качества пшеницы, повышены содержание белка в зерне, пивоваренные качества ячменя и другие показатели.

Например, путём химического мутагенеза (0,5%-ный р-р диметилсульфата) получен сорт подсолнечника Первенец с повышенным содержанием олеиновой кислоты в масле (67,4–75,4% против 27,6–32,0% у стандарта). Селекционно-ценные мутанты выделены у мягкой пшеницы по биохимическим признакам зерновки, например «дефективный эндосперм» с повышенным содержанием лизина.

У позднеспелого высокоурожайного сорта Лютесценс 65 получено свыше 200 мутантов, которые отличаются сокращённым вегетационным периодом (до 5–10 сут).

К настоящему времени в мире насчитывается более 400 мутантных сортов пшеницы, риса, ячменя и других культур. Метод экспериментального мутагенеза позволяет сократить сроки селекционной работы и облегчить получение новых сортов.