Задача
Окраску цветкам петунии придают водорастворимые пигменты – антоцианы.
Биосинтез антоцианов – сложный процесс, который регулируется определенными генами, кодирующими факторы транскрипции. Для «запуска» биосинтеза антоцианов в клетке должен собраться регуляторный транскрипционный комплекс, состоящий из трёх компонентов. Первый компонент – WD40-белок, получивший название ANTHOCYANIN 11 (AN11), служит своеобразной «затравкой» для образования комплекса (сам он не связывается с ДНК). Второй участник – фактор транскрипции типа «спираль-петля- спираль» ANTHOCYANIN 1 (AN1), который узнает участки в промоторах ключевых генов биосинтеза антоцианов. Белки AN11 и AN2 присутствуют во всех клетках растения.
Третий компонент – один из транскрипционных факторов семейства MYB (взаимодействует с ДНК) – появляется только в определенных частях растения. Так, ген ANTHOCYANIN 2 (AN2) активен в отгибе венчика, который также называют «лимбом». Ген ANTHOCYANIN 4 (AN4) управляет биосинтезом антоцианов в трубке венчика и тычинках. Ген DEEP PURPLE (DPL) активен в жилках цветка, особенно – в трубке венчика. Ген PINK HAZE (PHZ) включается на наружной стороне бутона и в листьях.
Факторы транскрипции MYB конкурируют друг с другом за место в составе комплекса. Если хотя бы один из компонентов транскрипционного комплекса отсутствует (например, в нем произошла мутация с нарушением функции), то гены биосинтеза антоцианов не «включаются», и окраска не возникает.
Рассмотрите фотографии трех сортов петунии и предположите, мутации в каких генах могли привести к распределению антоцианов в цветках, показанному на фотографии (выберите для каждого случая только один правильный ответ).
Видно, что окрашенные участки располагаются вдоль жилок, соответственно, ген DPL должен работать. Между жилками как в трубке венчика, так и в отгибе расположены неокрашенные участки. Это означает, что мутации произошли одновременно как в гене an2 (из-за этого совсем не окрашены края отгиба цветка), так и в гене an4 (из-за этого не окрашены участки между жилками трубки венчика).
Ответ: Мутация произошла в генах an2 и an4.
Если сравнить с предыдущим рисунком, то видно, что окрашена только трубка венчика, жилки почти не окрашены, отгиб венчика также белый. Это означает, что работает только ген AN4. Мутации должны затронуть an2 и dpl.
Ответ: Мутация произошла в генах an2 и dpl.
В этом случае трубка венчика и жилки в ней не окрашены, а отгиб, наоборот, синтезирует антоцианы. Это означает что должен работать ген AN2, а гены an4 и dpl не работают.
Ответ: Мутация произошла в генах an4 и dpl.
Белая окраска цветков может быть вызвана мутациями либо в ключевом гене биосинтеза антоцианов (халконсинтазе), либо в гене WD-40 белка AN11, либо в гене фактора транскрипции AN1, либо множественными мутациями в генах MYB. Предположим, что у розы биосинтез антоцианов и его регуляция происходят так же, как у петунии. Внимательно рассмотрите фотографию белой розы сорта 'Irene of Denmark'. Какими мутациями обусловлена белая окраска в данном случае?
На фотографии ясно видно, что на белом фоне лепестков иногда возникают небольшие красные пятна. Они показаны стрелками. Это означает, что растение в принципе может синтезировать антоцианы. (У белой розы сорта 'Irene of Denmark' они появляются в дождливую погоду в тех местах, где на лепестки попадают споры бактерий и грибов. Активация метаболизма фенольных веществ – в том числе антоцианов – это защитная реакция на попытку инфицировать лист.)
Халконсинтаза – ключевой фермент биосинтеза антоцианов. Если бы мутация произошла в гене халконсинтазы, растение вообще не могло бы синтезировать антоцианы.
Если бы мутация произошла в гене WD-40 белка AN11, который незаменим при сборке регуляторного комплекса, то нарушился бы синтез антоцианов во всём растении, и ни при каких обстоятельствах антоцианы не могли бы синтезироваться.
Второй участник – фактор транскрипции «спираль-поворот-спираль» AN1 – согласно условию задачи, также незаменим. Мутация в этом гене привела бы к тому же эффекту – полному отсутствию антоцианов в растении.
Таким образом, белый цвет в данном случае обусловлен множественными мутациями в MYB-генах dpl, an2 и an4. Тогда будет возможность задействовать другие транскрипционные факторы из семейства MYB для сборки регуляторного комплекса (например, PHZ). В тех местах, где он активен, будут возникать красные пятна.
Ответ: Мутации произошли в MYB-генах dpl, an2 и an4.
Мутации в генах an11 и an1 приводят к комплексным изменениям метаболизма фенольных соединений. Они затрагивают не только биосинтез антоцианов, но и, к примеру, синтез кверцетина, от которого зависит фертильность пыльцы. Если кверцетин не синтезируется, то пыльца не прорастает на своем рыльце, а при перекрестном опылении с нормальными растениями прорастает не более 3% пыльцевых зёрен.
При мутациях в генах an11 и an1 нарушается биосинтез проантоцианидинов, которые откладываются в семенной кожуре и при окислении дают коричневую окраску. При мутациях семенная кожура становится светлой (прозрачной).
Линию петунии с белыми цветками и светлыми семенами опыляют пыльцой линии с белыми цветками и коричневыми семенами. При этом все потомки первого поколения имеют фенотип, показанный на фотографии.
Какого цвета были семена, собранные после гибридизации? Свое мнение обоснуйте.
В условии сказано, что материнский родитель – это линия с белыми цветками и светлыми семенами. По-видимому, у этой линии нарушен биосинтез многих фенольных соединений (антоцианов, проантоцианидинов, кверцетина и др.). Семенная кожура возникает из интегументов, составленных диплоидными клетками материнского растения. Цвет семенной кожуры зависит только от генотипа материнского растения. Таким образом, все семена, собранные после гибридизации, должны оказаться с неокрашенной семенной кожурой.
Ответ: Все семена, собранные после гибридизации, будут светлыми.
Каким был генотип материнского родителя?
Предложите генотип отцовского родителя.
Дайте объяснение, на основании чего вы выбрали такие генотипы родителей.
В условии сказано, что мы имеем дело с линиями растений, из чего можно сделать вывод, что и материнское, и отцовское растение гомозиготны.
Поскольку и цветки, и семенная кожура лишены окраски, изменения должны произойти в каком-то из незаменимых компонентов регуляторного комплекса. Это либо ген WD-40 белка (AN11), либо ген фактора транскрипции «спираль-поворот-спираль» (AN1).
Среди предложенных вариантов генотипов не было ни одного с мутацией по гену AN1. Таким образом, в генотипе материнского растения обязательно должна быть мутация по an11: an11 an11 AN1 AN1.
Отцовская линия должна обязательно нести доминантный аллель AN11, иначе синтез проантоцианидинов, дающих впоследствии окраску семенной кожуры, не мог бы происходить. Кроме того, у потомков первого поколения синтез антоцианов в лепестках в принципе восстанавливается. В генотипе отцовского растения оба аллеля доминантные: AN11 AN11 AN1 AN1.
Возникает вопрос: каким должен быть генотип по MYB-генам? Выше мы уже разбирали, какие мутации обуславливают окрашивание жилок, но не трубки и отгиба венчика. В таких цветках, как показано на фотографии, должен работать ген DPL. Однако «рабочего» аллеля нет у отцовского родителя (иначе его цветки не были бы белыми). Для отцовского родителя мы можем выбрать только вариант an2 an2 an4 an4 dpl dpl.
От материнского родителя потомкам должен достаться доминантный аллель DPL, но не аллели AN2 и/или AN1 (иначе были бы окрашены еще какие-то части цветка). Таким образом, у материнского родителя должен быть генотип an2 an2 an4 an4 DPL DPL.
Ответ:
Генотип материнского растения: an11 an11 AN1 AN1 an2 an2 an4 an4 DPL DPL
Генотип отцовского растения: AN11 AN11 AN1 AN1 an2 an2 an4 an4 dpl dpl
От гибридных растений первого поколения путём самоопыления получили семена. Каким будет распределение по окраске среди собранных семян? Почему?
Гибриды первого поколения будут гетерозиготными по генам AN11 и DPL и гомозиготными по остальным генам: AN11 an11 AN1 AN1 an2 an2 an4 an4 DPL dpl.
Как мы обсуждали выше, цвет семенной кожуры (семян в целом) определяется генотипом материнского растения. В данном случае синтез проантоцианидинов в принципе возможен (есть аллель AN11), а это означает, что все семена будут коричневыми.
Ответ: Все семена, собранные с гибридов первого поколения, будут коричневыми.
Каким будет расщепление по окраске цветка среди второго поколения растений, если считать, что все вышеперечисленные гены наследуются независимо? Приведите решение задачи.
Для описания фенотипов используйте следующие обозначения (см. фото):
Фактически расщепление будет идти только по локусам AN11 и DPL на фоне «работающего» AN1 и мутантных an2 и an4. Отметим, что для окраски отгиба (как в фенотипах 2 и 6) необходим доминантный аллель AN2. Для синтеза антоцианов в трубке (как в фенотипах 2, 4 и 5) необходим доминантный аллель AN4. Ни того, ни другого в генотипе гибридов первого поколения нет, и, соответственно, эти варианты окраски не могут встречаться у потомков второго поколения.
Таким образом, среди потомков второго поколения могут быть только особи с фенотипами 1 (белые) или 3 (окрашенные жилки). Причём, чтобы цветки были белыми, достаточно, чтобы растения были гомозиготными либо по an11, либо по dpl. Фенотип 3 возникает, если в генотипе есть хотя бы один доминантный аллель как гена AN11, так и гена DPL. Оформим решение в виде решетки Пеннета.
Ответ:
9/16 фенотип 3 (окрашенные жилки)
7/16 фенотип 1 (белые)