Популяционная генетика

Изучение свойств и структуры генетических популяций, выявление закономерностей в ее изменении под воздействием различных факторов осуществляется таким направлением науки, как популяционная генетика. Начало популяционной генетики как научного направления положено Г. Менделем и Ч. Дарвином.

Формирование популяционной генетики как специфического раздела генетических исследований произошло с появлением работ датского физиолога В. Иоганнсена, который в 1903 г. опубликовал работу «О наследовании в популяциях и чистых линиях». Для изучения наследования массы и размера у зерен фасоли Иоганнсен использовал математический подход в анализе полученных данных, а также генетический метод сравнения признаков у родительской формы и у потомства нескольких поколений. Позднее, в 1908 г. независимо друг от друга английский математик Г. Харди и немецкий врач В. Вайнберг опубликовали математический анализ частот аллелей и генотипов по группам крови у людей и впервые сформулировали закон распределения генетических параметров в панмиктических популяциях, который сделался основным при оценке генетической структуры популяций.

Дальнейшее развитие популяционной генетики было осуществлено в исследованиях С.С. Четверикова (1926), Р. Фишера (1930), Дж. Холдена (1932), Н.П. Дубинина (1934), С. Райта (1932) и др. Эти ученые установили ряд новых данных о закономерностях генетических структур популяции.

Конец 20 века характеризовался бурным развитием популяционной генетики, которая определяет новые подходы научного анализа теории эволюции видов. Кроме того, она служит теоретической основой для проведения эффективной селекционной работы с животными, растениями и микроорганизмами и позволяет дать обоснование для правильного подхода в изучении генетики человека, особенно в связи с необходимостью вести борьбу с наследственными болезнями.

Развитие популяционной генетики сопровождалось увеличением числа методов, которые использовали для характеристики генетической структуры популяций, динамики величины ее параметров при смене поколений и при воздействии различных факторов.

Основные методы изучения популяций:

- метод генетического анализа, при котором изучают фенотипические качества родителей и потомства, при этом выясняют характер наследования отдельных признаков в группах потомков;

- метод цитогенетического анализа кариотипа у особей популяции (выявление хромосомных аномалий, влияющих на прогресс популяции). Этот метод особенно важен при оценке производителей для предотвращения распространения хромосомных дефектов;

- эколого-физиологический метод — позволяет установить влияние факторов среды на состояние популяции и степень реализации генетического потенциала в фенотипическом проявлении признаков, что может быть установлено по физиологическим, интерьерным и экстерьерным признакам. Метод может выявить приспособленность фенотипов к условиям обитания, что особенно важно при современной технологии, перемещении животных в новые условия экономических зон, осложненном экстремальными и стрессовыми ситуациями;

- математический метод (в том числе биометрии); он позволяет выразить состояние и динамику генетической структуры, определить степень влияния генетических факторов на фенотипическое проявление признака. Математический анализ генетической структуры позволяет осуществить моделирование генетических процессов, происходящих в популяции в ряде поколений и определить их перспективу.

Основные закономерности генетической структуры популяции и чистые линии в работах Иоганнсена. Первые шаги в развитии генетики, начиная с работ Г. Менделя, были направлены на изучение передачи качественных признаков от родителей потомкам.

В отношении количественных признаков определенность к началу нашего столетия отсутствовала. Следовало выяснить, имеют ли количественные признаки (рост, масса и др.) наследственную обусловленность и подчиняется ли она законам Менделя.

В 1903 г. В. Иоганнсен установил, что изменчивость количественных признаков обусловлена влиянием среды и разнообразными наследственными задатками у особей. Иоганнсен проводил опыты на семенах фасоли, изучая два количественных признака: массу и размер семян. При этом он проводил учет признаков в ряде поколений раздельно по каждому растению, полученному от смеси бобов, и потомство от отдельно взятого семени. Измерив массу бобов, взятых из партии семян, Иоганнсен выявил сильную изменчивость этого признака, а именно: масса отдельно взвешенных бобов варьировала от 100 до 900 мг. Исходный посевной материал и выращенные из него растения Иоганнсен  назвал  популяцией. Фасоль является самоопылителем, поэтому все растения, полученные в ряде    поколений от одного боба, имеют сходную наследственность. Потомство, полученное от одного исходного боба, было названо чистой линией.  

Дальнейшее размножение в пределах каждой линии выявило индивидуальную изменчивость массы бобов, примерно от 200 до 700 мг. Средняя масса бобов у растений разных линий колебалась от 350 до 642 мг. Полученные результаты дали возможность предположить, что наследственность растений из разных чистых линий различна, а изменчивость массы у отдельных бобов в пределах линии обусловлена влиянием среды и ненаследственна.

Изучая изменчивость количественных признаков у самоопылителей, Иоганнсен впервые показал наличие двух типов изменчивости: генетической и ненаследственной. Он пришел к выводу, что следует различать фенотипическую и генетическую изменчивость и ввел термины «фенотип» и «генотип».

Опыты проводились на фасоли в течение многих поколений, поэтому был прослежен эффект отбора по массе бобов. Оказалось, что в пределах каждой чистой линии отбор не изменил массу бобов и он оставался на одном уровне в ряде поколений, то есть отбор был неэффективен, так как наследственность у организмов данной чистой линии была сходна, а имеющиеся различия по массе и размеру обусловлены факторами среды и не наследуются в поколениях.

В популяции, представлявшей собой смесь бобов с разной наследственностью, действие отбора изменяло среднюю массу боба, то есть наблюдался эффект отбора.

Установление закономерности в специфике влияния отбора в популяции и отсутствие эффекта отбора в чистых линиях имели значение для селекционной практики. Было показано, что у самоопылителей из одного исходного растения, отобранного из популяции, можно создать чистую линию, а из нее — новый сорт, изменчивость в пределах которого будет модификационной, то есть ненаследственной, а исходная наследственность будет сохраняться в нескольких поколениях.

Положения Иоганнсена подтверждаются практикой. Так, в птицеводстве консолидацию наследственности закрепляют использованием инбридинга и получением инбредных линий, а усиление эффекта селекции и получение повышенной генетической изменчивости достигается путем скрещивания инбредных линий, межлинейного, межпородного и т.п.

Следующий этап в изучении генетических особенностей популяций связан с исследованиями английского математика Г. Харди и немецкого врача В. Вайнберга, которые изучали независимо друг от друга частоту появления генотипов и аллелей групп крови системы AB0 у человека   (1908). 

В процессе исследований установлена математическая закономерность постоянства генотипического состава панмиктических популяций. Если обозначить два аллеля одного локуса через А и а, то закойомерность в соотношении частот образования возможных генотипов (АА, Аа и аа) в потомстве может быть выражена вероятностями р и q появления генотипов по формуле бинома:

(PA + qa)2=pAA2 + 2pA-qa + qaa2.

При этом всегда:

 p + q=1

и

p2 + 2pq+q2 = l.

Этот теоретический вывод можно выразить с помощью решетки Пеннета (табл. 1).

Таблица 1 – Сочетание гамет отца и матери, определяющих частоту генотипов у потомства по аллелям А и а.

Из таблицы следует, что частота генотипов у потомства составляет:

PAA2 + 2pA·qa + qaa2,

 что соответствует коэффициентам бинома второй степени (p+q)2. Частоты гомозиготных генотипов — частотой раа2 и qaa2, а гетерозиготного генотипа — 2pAqa.

Суть закона Харди — Вайнберга заключается в том, что в популяции при свободном скрещивании сохраняется постоянство генетической структуры при постоянстве частоты генотипов, что выражается коэффициентами частот разложения бинома. Сохранение в потомстве той же генетической структуры, что и в исходном поколении, называется равновесным генетическим состоянием популяции.

При наличии в локусе трех аллелей (обозначим их А1, А2, Аз) соотношение генотипов будет следующим:

Соответствие частот генотипов в трехаллельной структуре локуса также будет означать, что популяция находится в генном равновесии по данному локусу и соотношение генотипов соответствует закону Харди — Вайнберга согласно формуле (p + q+z)2.

Примером трехаллельной системы служит структура генотипов трансферина (Тf) сыворотки крови. У крупного рогатого скота выявлено три аллеля: TfD, TfBt TfH; генотипы, которые могут быть сформированы в следующем сочетании: DD, ЕE, HH, DE, DH, EH, — выявляются при электрофорезе пробы сыворотки крови, Генетическая структура популяции скота по локусу трансферина   будет соответствовать  закону   Харди — Вайнберга,   то есть:

p2DD + q2EE + z2HH + 2pDqE + 2pDZH + 2qEZH.

Если на популяцию не оказывают влияние отбор, мутационный процесс и другие факторы, то она сохраняет генное равновесие из поколения в поколение и ее структура подчиняется закону Харди — Вайнберга для панмиктической популяции.

Рассмотренный закон Харди — Вайнберга позволяет определить генетическую структуру популяции и ее генное равновесие в отношении качественных признаков.

Выявление генетической структуры приобретает в селекционной практике существенное значение, особенно если в популяции происходит систематическое появление особей с признаками патологии, имеющей наследственную обусловленность. При этом важно определить частоту данной патологии, динамику ее распространения по поколениям или уменьшение ее частоты при проведении отбора, направленного на устранение патологического признака. Это особенно важно при работе с племенными стадами животных, влияние которых распространяется на породу в целом и на практические результаты работы с отраслью.

Наиболее просто определить генетическую структуру популяции, если в ней встречаются особи с фенотипически легко выявляющимися рецессивными гомозиготными генотипами, например аа. В животноводстве к таковым относят особей с врожденной слепотой, альбинизмом, скелетными аномалиями и другими нежелательными признаками, но возможны и рецессивные гомозиготные признаки, которые соответствуют целям Селекции. Примером этого служат многообразные вариации окраски меха у пушных зверей, оперения у птиц, масти лошадей и крупного рогатого скота. Следовательно, в зависимости от селекционной цели к рецессивным генотипам в популяции следует применить метод селекции для их устранения либо закрепить эти признаки и превратить их в породные.

Выявление гетерозигот можно осуществить, изучая родословные особей, от которых появляются слепые телята, и родство их с другими животными, то есть для выявления гетерозиготных особей требуется провести генетический анализ родословных. Формула Харди — Вайнберга может лишь ориентировать селекционера на теоретическую частоту гетерозиготных особей — носителей патологии.

Можно применять так называемое анализирующее скрещивание. Для этого животное с неизвестным, но предполагаемым генотипом (АА или Аа) спаривают с животным, имеющим рецессивный генотип (аа), фенотипически проявляющийся при визуальном обследовании. В этом случае возможны два варианта генотипов потомства. Если испытуемое животное имеет гетерозиготный генотип Аа, то скрещивание Аа×аа дает в потомстве появление фенотипов Аа и аа, то есть расщепление, часто близкое 1:1 (50% Аа и 50% аа). Если же испытуемое животное гомозиготно по доминантному аллелю, то есть имеет генотип АА, то при скрещивании АА×аа в F1 расщепление не наблюдается и генотип потомков Аа фенотипически будет соответствовать А А.

Из закона Харди — Вайнберга следует, что редкие аллели, особенно рецессивные, присутствуют в популяции чаще всего в гетерозиготном состоянии (Аа).

Для выявления нарушения генного равновесия в популяции используют несколько методов.

Основным методом служит сравнение фактически существующей генетической структуры популяции, которую выявляют по числу животных с данным фенотипом, с теоретической структурой, определяемой на основании частот р и q по формуле Харди — Вайнберга. Этот метод удобен, если сопоставляемые признаки наследуются кодоминантно, при этом в фенотипе проявляются оба аллеля локуса. В этом случае частоты каждого фенотипа легко выявить визуально.

Состояние генного равновесия в популяции можно определить с помощью формулы:

Если pA2qa2=(pA•qa)2, то популяция находится в генном равновесии. Если же pA2•qa2≠(pA•qa)2, то это указывает на нарушение генного равновесия.

Если генное равновесие нарушено под влиянием какого-либо фактора и утрачено условие панмиксии, то оно может быть восстановлено уже в следующем поколении, когда в родительском поколении возникает свободное скрещивание. Следовательно, скрещивание, восстанавливающее генное равновесие в популяции, называется стабилизирующим, но частоты генотипов будут иными, чем в предыдущих поколениях. Генное равновесие может быть нарушено по одному, но сохранено по другим локусам.

Если аллель, обусловливающий какой-либо признак, сцеплен с половой хромосомой X, то генное равновесие восстанавливается не в первом поколении потомков, а через поколение, так как Х-хромосома переходит от отца к дочерям и от матери к сыновьям.

Выяснено, что чем больше в популяции особей с доминантным признаком, тем сильнее нарушается генное равновесие и частота фактических генотипов отличается от частот, теоретически ожидаемых.