Работа 5.2. Изучение морфологических особенностей

Дрозофил мутантных линий

В генетических исследованиях используются мутантные линии дрозофилы. Чаще всего у дрозофилы мутационным изменениям подвергаются такие признаки, как форма и окраска глаз, окраска тела, форма и характер развития крыльев, строение щетинок. Соответствующие мутации локализованы на хромосомах. Дрозофила имеет 8 хромосом (2n=8), число групп сцепления равно 4. У самки все хромосомы парные, из них 6 – не связаны с полом (аутосомы), 2 – являются половыми хромосомами (ХХ). У самца те же 6 аутосом, что и у самки, и 2 – половые хромосомы (ХУ), причем одна их них – У – присуща только самцу. Имеются подробные генетические карты хромосом дрозофилы. В таблице 6 приведена характеристика ряда мутантных линий и указана локализация генов, ответственных за измененный признак на хромосомах плодовой мухи.

 

Таблица 4

Мутантные линии Drosophila melanogaster

 

Наименование мутации	Усл. обозн.	Хромосома, локус	Особенности фенотипа	Примечание
Oregon-R, Normal	N		Серая окраска тела, нормальные прямые крылья, темно - красные глаза	Дикий тип
glass	gl	III (63,1)	Стекловидные глаза. Цвет глаз ослаблен, фасетки слиты в ровную блестящую поверхность
Scalloped	sd	I (51,5)	Зазубренные края крыльев
Beadex	Bx	I (59,4)	Зазубренные края крыльев. Одна-две вырезки на внутреннем краю крыла, при сильном проявлении - редукции подвергается часть крыла как с латерального, так и с медиального краев, поэтому крыло имеет продолговатый и заостренный вид	Гомозиготы жизнеспособны. Bead - бусы
lozenge	lz	I (27,7)	Ромбовидные глаза. Глаза сужены, яйцевидные.	Самцы стерильны
black	b	II (48,5)	Черный. Тело, лапки, жилки очень темные
cinnabar	cn	II (57,5)	Киноварь. Цвет глаз яркий, шарлаховый, глазки бесцветны
white	w	I (1,5)	Белоглазый. Глаза белые, глазки, мальпигиевы сосуды и семенники бесцветны
scarlet	st	III (44,0)	Алый, шарлаховый, багряно-красный цвет глаз. Глазки бесцветные
Muller-5 (white apricot)	M-5 (wa )	I	Абрикосовые полосковидные глаза, бесщетинковые	Тесторная линия для выявления летальных мутаций в Х - хромосоме
vestigial	vg	II(67)	Недоразвитые крылья
b st		II, III	Черное тело, алые глаза	Дигетерозигота
vg w		II, I	Зачаточные крылья, белые глаза	Дигетерозигота,

 

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ. Внимательно ознакомьтесь с табл.4, в которой дан перечень некоторых мутантных линий дрозофилы, приведены их английские названия, обозначения генов, ответственных за измененные признаки; указана локализация этих генов на хромосомах, отмечены особенности фенотипа мутантов. В штативах на ваших столах находятся пробирки с умерщвленными мухами большинства линий, указанных в табл.4, в том числе и с мухами дикого типа. Рассмотрите мутантов с помощью лупы и микроскопа (объектив х4, окуляр х10), сравните их с дрозофилой дикого типа. Вы убедитесь, что мутанты отличаются от диких мух либо окраской глаз (белые, ярко-красные), либо окраской тела (черное, желтое), либо формой крыльев (недоразвитые, с вырезкой), а отдельные имеют сразу несколько отличительных признаков.

ЗАДАНИЕ. На отдельный лист альбома перечертите всю табл.4, оставив с правой стороны достаточно места для зарисовки мух мутантных линий. Зарисуйте в соответствующих строчках таблицы по одной особи каждой исследованной линии, отобразив ее отличия от дрозофилы дикого типа. Надпись над таблицей та же, что и над табл.4.

 

Материалы, представляемые в отчете по лабораторной работе

1. Зарисовка взрослых самки и самца дрозофилы.

2. Зарисовка всех стадий развития дрозофилы: яйца, личинки, куколки, имаго.

3. Зарисовка мух мутантных линий (таблица).

ТЕМА 5

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЯВЛЕНИЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ.

СТАТИСТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ МОДИФИКАЦИОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ

 

Цели занятия:

1. Изучить основные закономерности наследственной и ненаследственной (модификационной) изменчивости.

2. На конкретных примерах (растительные объекты) освоить метод построения вариационного ряда.

3. Научиться рассчитывать статистические характеристики вариационных рядов.

Вопросы для самоподготовки

1. Изменчивость наследственная и ненаследственная, ее виды.

2. Мутационная теория, мутация.

3. Классификация мутаций.

4.Модификационная изменчивость. Примеры модификаций.

5.Свойства модификаций.

6.Норма реакции.

7.Признаки качественные и количественные, изменчивость прерывистая и непрерывная; примеры.

8.Вариационный ряд, варианта, частота, генеральная совокупность, выборка.

9.Средние величины.

10.Стандартное отклонение, коэффициент вариации.

11.Коэффициент корреляции, степень взаимосвязи признаков.

 

Оборудование и материалы:

1. Линейки.

2. Гербарный материал: засушенные листья вяза (не менее 50 листьев на каждого студента).

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ПО ТЕМЕ

Формирование того или иного фенотипа, то есть комплекса определенных признаков или свойств особи, обусловлено, с одной стороны, генотипом этой особи, а с другой – теми конкретными условиями среды, в которых протекает развитие организма. Способность организма изменять свой фенотип под действием условий внешней среды называют модификационной изменчивостью.

Размах (интервал) модификационной изменчивости зависит от нормы реакции организма, которая определяется его наследственностью, но зависит от условий внешней среды. Под нормой реакции следует понимать генотипически определяемую способность организма варьировать степень выраженности признаков в определенных пределах в зависимости от условий внешней среды. Организм может характеризоваться большей или меньшей степенью изменчивости различных его признаков. У пшеницы, например, наиболее изменчивы признаки, которые зависят от сроков посева, площади питания растений, удобрения и т.д., – это высота растения, кустистость; наименее изменчивы плотность колоса, масса 1000 зерен и другие.

Чем шире норма реакции растений данного сорта, тем больше возможностей для выращивания его в различных почвенно-климатических условиях с сохранением основных хозяйственно ценных признаков. Поскольку условия жизни специфичны для каждого организма, то и фенотипы их при одном и том же генотипе могут быть различными. Так, растения, выросшие из семян, полученных из одного самоопыленного растения пшеницы, могут иметь различный фенотип в зависимости от условий произрастания; они будут отличаться друг от друга по высоте, кустистости, длине колоса, числу колосков и т.д.

Известно, что при характеристике организма обычно различают признаки качественные и количественные. К качественным признакам относятся такие, по которым особи отчетливо различаются. Например, семена гороха бывают желтыми и зелеными. Однако имеется много так называемых количественных признаков, то есть таких признаков, которые у различных особей отличаются лишь по степени выраженности. Так, растения будут не только высокими и низкими, но и промежуточными со всеми переходами от самых высоких до самых низких. К количественным признакам относятся длина колоса, число колосков в колосе, масса семян и т.д. По таким признакам особи нельзя отчетливо различить, как это делается по признакам качественным. Поскольку количественные признаки в наибольшей степени подвержены модификационной изменчивости под влиянием окружающей среды, то даже в группе особей с одинаковым генотипом отдельные особи будут отличаться друг от друга.

Изменчивость называют прерывистой, если особи отличаются друг от друга не меньше, чем на единицу (число зерен в колоске, число колосков в колосе и т.д.). Изменчивость называют непрерывной, если по данному признаку особи отличаются друг от друга как на единицы, так и на доли единицы (длина колоса, масса зерна и т.д.).

При изучении закономерностей модификационной изменчивости используется статистический метод. При использовании этого метода необходимо соблюдать следующие условия:

1. Материал должен быть генетически однородным, то есть все изучаемые объекты должны иметь идентичные генотипы.

2. Измерения и подсчеты должны производиться с одинаковой точностью.

3. Наблюдения должны быть многократными, то есть анализировать следует большое число объектов.

Все растения данного вида называют генеральной совокупностью. Часть растений генеральной совокупности, у которой статистически изучают данный признак, называется выборкой.

 

Работа 6.1. Составление вариационного ряда. Вычисление средней арифметической и коэффициента вариации

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Чтобы получить представление о размахе модификационной изменчивости изучаемого признака (например, длины или ширины листовой пластинки вяза), необходимо составить вариационный ряд. С этой целью измеряют, например, длину и ширину 50 листовых пластинок вяза с точностью до 1 мм и получают варианты – возможные значения изучаемого признака, которые обозначают буквой Х или Y:

Полученные варианты располагают в порядке их возрастания (см. образец представления данных в табл.9). Так, в вышеприведенном примере длина листа варьирует от 81 до 101, а ширина – от 63 до 83 мм, и в возрастающем порядке варианты записаны в табл.5. Каждое значение признака встречается неодинаковое число раз. Число, указывающее, сколько раз повторяется каждое значение признака в данном вариационном ряду, называется частотой и обозначается буквой f.

Таким образом, вариационный ряд представляет собой такой ряд данных, в котором указаны значения варьирующего признака в порядке возрастания или убывания, а также соответствующие их частоты. Из представленных данных видно, что чаще всего встречаются варианты, находящиеся в середине ряда, реже – в начале и в конце ряда.

 

 

Таблица 5

Два вариационных ряда, характеризующих длину и ширину листьев вяза

Длина листа, мм (варианты Х)	Число листьев (частоты f)	Ширина листа, мм (варианты Y)	Число листьев (частоты f)

n=∑f=50 n=∑f=50

Имея вариационный ряд, можно получить достаточно полную характеристику изучаемого признака. Для этого необходимо вычислить следующие статистические показатели: среднюю арифметическую, стандартное отклонение (или среднее квадратическое отклонение), коэффициент вариации, или изменчивости, ошибку средней арифметической.

Средняя арифметическая характеризует величину признака всей совокупности изучаемых растений и обозначается буквой `х. Вычисляют среднюю арифметическую вариационного ряда по формуле:

∑ Х^.f

`х =---------------;

n

где: `х – средняя арифметическая,

f – частота встречаемости варианта,

Х – варианты,

∑ - знак суммы,

n – сумма частот, то есть общий объем выборки.

Для подсчетов следует воспользоваться табл. 5. Таким образом, средняя арифметическая длины листа равна 87,88 мм. Эта величина наиболее характерна для данной выборки.

Для характеристики вариационных рядов большое значение имеют также следующие средние величины: мода – Мо и медиана – Ме. Модальным называется класс, обладающий наибольшей частотой; значение его называется модой. В нашем примере модальным является класс со средним значением 87.

Медианой называется значение варианты, находящейся посередине вариационного ряда, т.е. разделяющей его пополам. В данном случае медиана совпадает с модой и равна 87. При четном числе классов, как в другом вариационном ряду – ширина листовой пластинки, нужно сложить значение вариант двух центральных классов и сумму их разделить пополам. Таким образом, в нашем примере медиана соответствует значению73.

В ряде случаев рассчитывают не среднюю арифметическую, а среднюю геометрическую по следующей формуле:

log `x_геом =1/n · (log x₁ + log x₂ + log x₃ + …+ log x_n).

По значению log `x<sub>геом</sub> затем определяется величина `x_геом.

Основным критерием для применения средней геометрической является возрастание данного признака не путем арифметического прибавления к первоначальному значению какой-то величины, а в геометрической прогрессии (например, при изучении темпов роста организмов или популяции).

Таблица 6

Вычисление средней арифметической, моды и медианы длины листа вяза

Длина листа, мм (Х)	Число листьев (f)	X·f	X -`x	(X -`x)2	(X -`x)2·f
			-6,88	47,33	378,64
			-4,88	23,81	404,77
			-1,88	3,53	91,78
			-0,88	0,77	21,56
			0,12	0,01	0,14
			7,12	50,69	354,83
			13,12	172,13	344,26
	n=Σf=50	Σ=4394			Σ=1595,98

∑ Х×f 4394

х = --------- = ------- = 87,88; Мо = 87; Ме = 87.

n 50

 

Средняя арифметическая не отражает степени изменчивости признака у данной группы особей, сорта и т.д. Для характеристики изменчивости используют стандартное (среднее квадратическое) отклонение. Оно обозначается буквой σ; это число выражается в тех же единицах, что и средняя арифметическая. Стандартное отклонение вычисляем по формуле:

 

S (Х-`х)^2.f 1595,98

σ = ± --------------- = ± -------- = ± 32,571= ±5,71 (мм).

n-1 49

 

Это означает, что по длине каждый лист в среднем отличается от средней арифметической `х на 5,71 мм.

Стандартное отклонение иногда называют ошибкой отдельного варианта, так как, зная значение `х и σ для данного вариационного ряда, можно определить, относится ли данная особь к этому ряду. Она может относиться к данному ряду с вероятностью 99%, если ее отклонение от средней арифметической не превышает 3σ. В рассматриваемом примере `х = 87,88; σ = 5,71, наибольшее значение варианта равно 101, наименьшее – 81. Отклонение составит 101 - 87,88=+13,12; 81- 87,88= - 6,88.

Так как отклонения наибольшего и наименьшего вариантов от средней арифметической не превышают 3σ, то есть 17,13, то все особи относятся к данному вариационному ряду. Следовательно, пределы модификационной изменчивости определяются значениями `х±3σ.

Для сравнения изменчивости разных признаков у особей одной выборки (например, у растений одного сорта) или изменчивости одного и того же признака у разных сортов, а также, чтобы иметь возможность судить о степени выровненности изучаемого материала, вычисляют коэффициент вариации (V):

σ

V = --- × 100%.

`х

В нашем примере:

5,71

V = ------- × 100% = 6,5%.

87,88

Чтобы сравнить размах изменчивости различных признаков у растений одного и того же сорта, следует вычислить стандартное отклонение (σ) и коэффициент вариации (V) для этих признаков.

Чем больше коэффициент вариации того или иного признака, тем более он изменчив под действием внешних условий.

Ошибка средней арифметической обозначается S_`х. Она показывает, какую допустили ошибку, считая, что средняя арифметическая выборки равна средней арифметической генеральной совокупности. Ошибку средней арифметической вычисляют по формуле:

σ

S_`х = --------.

n

В нашем примере:

5,71

S_`х = -------- = 0,81 (мм).

После вычисления ошибки средней арифметической можем сказать, что у вяза, изучавшегося нами, средняя длина листа равна 87,88±0,81мм.

Данные, полученные в результате статистического изучения тех или иных признаков, заносят в сводную таблицу (табл.7).

 

Таблица 7

Изменчивость признаков листовой пластинки вяза

Растение	Изучаемый признак	Статистический показатель
`х	σ	V	S`х	х ±S`х
Вяз	Длина листа, мм	87,88	5,71	6,5	0,81	87,88±0,81
Ширина листа, мм
Количество крупных жилок

 

При определении степени взаимосвязи двух случайных величин, X и Y, вычисляют коэффициент корреляции (r) по следующей формуле:

å (x_i – `x) · (y<sub>i</sub> - `y)

r = ------------------------------

Ö å (x_i - `x)<sup>2</sup> · å (y<sub>i</sub> - `y)²

Если величина r имеет знак «+», то корреляционная связь – положителная, если знак «-» - то связь отрицательная. Считается, что:

при |r| < 0,3 – корреляция отсутствует,

при 0,3 £ |r| < 0,5 – корреляция слабая,

при 0,5 £ |r| < 0,7 – корреляция средняя,

при 0,7 £ |r| < 0,9 – корреляция сильная,

при 0,9 £ |r| £ 1,0 – корреляция значительная.

Для удобства расчета данные заносят в следующую таблицу:

 

 

Таблица 8

Представление данных для вычисления коэффициента корреляции

Номер пары	xi	yi	xi- `x	(xi – `x)2	yi-`y	(yi – `y)2	(xi – `x) · * (yi– `y)
…
n
	å xi = …	å yi = …		å(xi– `x)2 = …		å(yi – `y)2 = …	å(xi– `x) *(yi – `y) = …

ПОДГОТОВКА К ЗАНЯТИЮ (ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ЛАБОРАНТОМ). Летом необходимо собрать листья вяза с одного дерева и высушить их между листами бумаги под прессом.

ЗАДАНИЕ. Замерьте длину, ширину и число крупных зубчиков листовой пластинки вяза. Измерения проводить с точностью до 1 мм.

Запишите данные по всем трём признакам для каждого листа отдельно в виде единой таблицы по следующему образцу:

Таблица 9

Образец представления первичных данных по изменчивости листьев вяза

Длина листа, мм				…
Ширина листа, мм				…
Количество зубчиков				…

 

Рассчитайте средние арифметические, определите моды и медианы для каждого из трёх признаков. Данные представьте в виде трёх отдельных таблиц (по аналогии с табл. 6).

Рассчитайте стандартное отклонение, коэффициент вариации, ошибку средней арифметической по каждому из показателей. Данные представьте в виде таблиц (по аналогии с табл.7).

Сформулируйте и запишите вывод о степени изменчивости и сравните размах модификационной изменчивости каждого из признаков.

Представьте в виде двух отдельных таблиц (по аналогии с табл. 8) данные для расчёта коэффициентов корреляции между длиной листа (x) и числом зубчиков (z), а также между длиной (x) и шириной листа (y). Рассчитайте коэффициенты корреляции между этими двумя парами признаков.

Запишите этот расчет и сделайте письменное заключение о наличии и степени взаимосвязи двух пар признаков (длины листа и количества зубчиков; длины и ширины листа).