Калкулатор за Пъниет квадрат | Предвиждане на генетични модели на наследяване

Какво представлява решетката на Пънет?

Решетката на Пънет е таблица, използвана за предсказване на генетичния състав на потомството на двама родители. Тя е въведена през 1905 г. от британския генетик Реджиналд Пънет, за да преподава законите на Мендел за унаследяването. Калкулаторът на решетка на Пънет върши същата работа автоматично: въвежда се генотипът на всеки родител и той попълва таблицата с всички възможни генотипове и фенотипове на потомството, след което отчита колко често се появява всеки фенотип.

Инструментът по-долу обработва два вида кръстосвания. При монхибридно кръстосване се проследява един ген, например цветът на цвета (пример за въвеждане: Aa). При дихибридно кръстосване се проследяват едновременно два гена, например формата и цветът на семето (пример за въвеждане: AaBb).

Как се използва този калкулатор

Въведете по един генотип в полето за всеки родител. Калкулаторът приема два формата:

• Две букви за монхибридно кръстосване, като и двете са една и съща буква, независимо от регистъра: Aa, AA, aa.
• Четири букви за дихибридно кръстосване, като те образуват две такива двойки с две различни букви: AaBb, AAbb, aabb.

И двамата родители трябва да използват един и същ формат и едни и същи букви за гените. Кръстосването на Aa с AaBb се отхвърля поради несъответствие между типовете кръстосване, а кръстосването на Aa с Bb се отхвърля, защото двете полета описват различни гени. Всичко останало, например A или Ab, се отбелязва като невалиден генотип.

Резултатът е таблица. Всяка клетка съдържа генотипа на потомството, като доминантният алел е изписан пръв, а под него е фенотипът. Под таблицата калкулаторът показва съотношението на фенотиповете като брой клетки спрямо общия брой, например A: 3/4, a: 1/4 при монхибридно кръстосване на два хетерозиготни организма. Доминантният фенотип се показва с главната буква на гена, а рецесивният — с малката, така че при дихибридно кръстосване се отчитат AB, Ab, aB и ab.

Основни термини

• Генотип: генетичният състав на организма, изписан като двойка букви, например Aa или BB.
• Фенотип: наблюдаваният признак, породен от даден генотип, например растение, което е високо или ниско.
• Алел: една от версиите на даден ген. Доминантният алел се изписва с главна буква (A), а рецесивният — с малка буква (a).
• Хомозиготен: двата алела на даден ген съвпадат, както при AA или aa.
• Хетерозиготен: двата алела са различни, както при Aa.
• Гамета: размножителна клетка (яйцеклетка или сперматозоид), която носи само един алел от всяка генна двойка.

Доминантният алел определя фенотипа винаги когато присъства. Рецесивният алел се проявява във фенотипа само когато и двете копия са рецесивни, както при aa.

Как се изчислява решетка на Пънет

1. Избройте алелите или гаметите, които всеки родител може да предаде.
   • Монхибриден родител с генотип Aa може да предаде A или a.
   • Дихибриден родител с генотип AaBb може да предаде четири възможни комбинации от гамети: AB, Ab, aB или ab.
2. Начертайте таблица. Разположете гаметите на единия родител по горния край, а гаметите на другия — отстрани.
3. Попълнете всяка клетка, като комбинирате гаметата от нейния ред с гаметата от нейната колона. По правило доминантният алел (главната буква) се изписва пръв, така че клетка, комбинираща a и A, се изписва Aa, а не aA.
4. Определете фенотипа за всяка клетка: всеки генотип с поне един доминантен алел проявява доминантния признак; генотип с два рецесивни алела проявява рецесивния признак.
5. Пребройте колко клетки показват всеки фенотип и сведете броя до съотношение.

Разгледан пример: монхибридно кръстосване (Aa × Aa)

И двамата родители са хетерозиготни, затова всеки може да предаде A или a.

Четирите клетки дават три генотипа: AA (1 клетка), Aa (2 клетки) и aa (1 клетка). Това е генотипно съотношение 1:2:1.

По отношение на фенотипа AA и Aa показват доминантния признак, докато само aa показва рецесивния признак. Получават се 3 доминантни клетки от 4 и 1 рецесивна клетка от 4, което е класическото фенотипно съотношение 3:1. Калкулаторът го изписва като A: 3/4, a: 1/4.

Разгледан пример: дихибридно кръстосване (AaBb × AaBb)

Всеки родител може да произведе четири типа гамети: AB, Ab, aB и ab. Кръстосването на двама родители с по четири типа гамети дава таблица 4×4 с 16 клетки. Подредени по фенотип, 16 клетки се разделят така:

• 9 клетки с два доминантни признака (A_B_), които калкулаторът обозначава като AB
• 3 клетки с доминантен признак A и рецесивен признак b (A_bb), обозначени като Ab
• 3 клетки с рецесивен признак a и доминантен признак B (aaB_), обозначени като aB
• 1 клетка с два рецесивни признака (aabb), обозначена като ab

Това е стандартното фенотипно съотношение 9:3:3:1 при дихибридно кръстосване между два двойно хетерозиготни организма.

Често срещани съотношения при монхибридно кръстосване

Защо работи този модел

Горните съотношения произлизат от два закона, описани от Грегор Мендел след кръстосване на грахови растения през 1850-те и 1860-те години.

Закон за разделянето: когато родителят образува гамети, двата му алела за даден ген се разделят. Всяка гамета носи само единия от тях. Родител с генотип Aa произвежда гамети, от които половината са A, а половината — a.

Закон за независимо комбиниране: при гени, разположени на различни хромозоми, предаденият алел на единия ген не влияе върху това кой алел ще бъде предаден на друг ген. Затова дихибридното кръстосване може да се изчисли като комбинация от две независими монхибридни кръстосвания. Това не важи за гени, които са близо един до друг на една и съща хромозома, тъй като те обикновено се унаследяват като двойка. Това е известно ограничение на основния метод с решетка на Пънет.

Ограничения на решетките на Пънет

Решетките на Пънет работят добре за единични гени с просто доминантно-рецесивно унаследяване, но няколко ситуации не се вписват в този модел.

• Полигенни признаци: признаци като човешкия ръст или цвета на кожата зависят едновременно от много гени. Таблица, достатъчно голяма за моделирането им, не е практична.
• Непълно доминиране: когато нито един алел не доминира напълно, хетерозиготите проявяват смесен признак. Кръстосването на червени и бели лъвски усти дава розово потомство, а съотношението 3:1 става 1:2:1.
• Сцепени гени: гените, разположени близо един до друг на една и съща хромозома, обикновено се унаследяват заедно, което нарушава допускането за независимо комбиниране.
• Признаци, свързани с пола: при тях в генотипа трябва да се запишат X и Y хромозомите, например XᴴXʰ за жена носител. Тази нотация е извън обикновените двойки букви, които този калкулатор приема.
• Летални алели и променлива пенетрантност: някои комбинации от алели не са жизнеспособни или даден ген може да не предизвиква винаги очаквания признак; и двете явления изкривяват простите съотношения.

При кръстосвания, включващи три или повече гена, или при тези по-сложни модели, генетиците обикновено използват правила на вероятностите, родословни схеми или модели на популационната генетика вместо една таблица.

Къде се използват решетките на Пънет

В часовете по биология решетките на Пънет правят унаследяването видимо: двама родители носители (Ss × Ss) имат 25% вероятност да имат дете с рецесивното заболяване — факт, който таблицата показва веднага. Животновъдите и селекционерите на растения използват същия метод, за да оценят признаците на потомството преди кръстосване, например да предскажат съотношенията на цветовете на козината в котило кученца. Генетичните консултанти използват опростени решетки на Пънет, за да обясняват риска от унаследяване на пациентите, а природозащитните програми ги използват за планиране на размножителни двойки при застрашени видове, като ограничават инбридинга.

История

Реджиналд Крандъл Пънет създава таблицата около 1905 г., докато работи с Уилям Бейтсън, един от учените, които популяризират тогава отново открития труд на Грегор Мендел. Мендел публикува резултатите си за граховите растения през 1865 г., но те до голяма степен остават пренебрегнати до 1900 г., когато трима изследователи ги преоткриват независимо един от друг: Хуго де Фриз, Карл Коренс и Ерих фон Чермак. Пънет публикува учебника Mendelism през 1905 г., а по-късните издания спомагат за разпространението както на законите на Мендел, така и на таблицата, която днес носи името на Пънет.

Често задавани въпроси

Какво показва решетката на Пънет? Тя показва всички възможни комбинации от алели, които двама родители могат да предадат на потомството си, заедно с получените генотипове и фенотипове.

Каква е разликата между генотип и фенотип? Генотипът е генетичният код, изписан с букви като Aa. Фенотипът е наблюдаваният признак, например цветът на цветето. Два различни генотипа, AA и Aa, могат да породят един и същ фенотип, ако признакът е доминантен.

Защо съотношението 3:1 се появява толкова често? Това е очакваното разделение на фенотиповете, когато се кръстосат двама хетерозиготни родители (Aa × Aa). То е вероятност, валидна за много потомци, а не гаранция за всяко отделно котило. Дори хвърлянето на две монети не гарантира всеки път да се паднат една ези и една тура.

Може ли решетката на Пънет със сигурност да предскаже признаците на дадено дете? Не. Тя дава вероятности, а не резултати. Двойка с 50% вероятност за даден признак при всяко дете все пак може да има няколко деца с един и същ признак или нито едно дете с него.

Как се постъпва при повече от два гена? Таблица с три гена има 64 клетки и става непрактична за начертаване. Генетиците обикновено изчисляват вероятността за всеки ген поотделно, след което умножават независимите вероятности.

Как се използва тестовото кръстосване? Тестовото кръстосване показва дали организъм с доминантен признак е хомозиготен (AA) или хетерозиготен (Aa). Кръстосването му с хомозиготен рецесивен родител (aa) дава изцяло потомство с доминантен признак, ако родителят е AA, или съотношение 1:1 на потомството с доминантен към рецесивен признак, ако родителят е Aa.

Създаване на решетка на Пънет с код

Основните стъпки са: разделяне на всеки генотип на алелите му, генериране на всяка гамета, която всеки родител може да произведе, и след това комбиниране на гаметите по двойки, като доминантният алел винаги се изписва пръв. Следната функция на Python следва този подход:

1def generate_monohybrid_punnett_square(parent1, parent2):
2    p1_alleles = list(parent1)
3    p2_alleles = list(parent2)
4
5    def combine(a, b):
6        # Dominant (uppercase) allele goes first
7        pair = sorted([a, b], key=lambda x: x.islower())
8        return ''.join(pair)
9
10    return [[combine(a1, a2) for a2 in p2_alleles] for a1 in p1_alleles]
11
12square = generate_monohybrid_punnett_square('Aa', 'Aa')
13for row in square:
14    print(row)
15# Output: ['AA', 'Aa']
16#         ['Aa', 'aa']
17

Редът key=lambda x: x.islower() подрежда главните букви (доминантни) преди малките букви (рецесивни), така че sorted() винаги поставя доминантния алел пръв, независимо от това от кой родител произхожда.

Източници

1. Национален институт за изследване на човешкия геном — Решетка на Пънет
2. Nature Education — Грегор Мендел и принципите на унаследяването
3. Khan Academy — Решетки на Пънет и вероятности
4. Пиърс, B.A. (2017). Genetics: A Conceptual Approach (6-о изд.). W.H. Freeman.
5. Пънет, R.C. (1905). Mendelism. Macmillan and Company.