Розв'язувач дигібридного схрещування: Калькулятор генетичного квадрата Пунетта

Що таке калькулятор дигібридного схрещування?

Калькулятор дигібридного схрещування передбачає генотипи й фенотипи нащадків одразу для двох генів. Він будує решітку Пеннета на основі генотипів двох батьків і показує співвідношення отриманих ознак. Студенти й викладачі біології, а також селекціонери використовують його, щоб перевіряти задачі на дигібридне схрещування без ручного креслення решітки.

Що таке дигібридне схрещування?

Дигібридне схрещування відстежує одночасну передачу двох генів від батьків до нащадків. Грегор Мендель уперше дослідив це в 1860-х роках, схрещуючи рослини гороху, які відрізнялися формою та кольором насіння.

Кілька термінів пояснюють принцип його роботи.

• Алель: один із варіантів гена. Велика літера (A, B) позначає домінантний алель. Мала літера (a, b) позначає рецесивний алель.
• Генотип: генетичний склад організму, записаний як комбінація літер, наприклад AaBb.
• Фенотип: ознака, яку організм фактично проявляє. Домінантний алель маскує рецесивний, тому AA і Aa виглядають однаково.
• Гомозиготний: обидва алелі одного гена однакові (AA або aa).
• Гетерозиготний: два алелі одного гена різні (Aa).

Як розрахувати дигібридне схрещування

Дигібридне схрещування ґрунтується на незалежному розходженні алелів: під час утворення гамет алелі одного гена розходяться незалежно від алелів іншого гена. Завдяки цьому алелі кожного з батьків можуть вільно комбінуватися.

1. Запишіть генотип кожного з батьків, наприклад AaBb.
2. Перелічіть гамети. Метод решітки Пеннета дає кожному з батьків чотири позиції для гамет — по одній для кожної комбінації алеля гена 1 з алелем гена 2. Батько або мати, гетерозиготні за обома генами (AaBb), заповнюють ці позиції чотирма різними гаметами: AB, Ab, aB, ab. Батько або мати, гомозиготні за обома генами (AABB), заповнюють їх чотирма копіями однієї гамети: AB, AB, AB, AB.
3. Побудуйте решітку Пеннета розміром 4×4. Розмістіть чотири гамети одного з батьків у верхньому рядку, а чотири гамети іншого — уздовж бічного стовпця, потім заповніть кожну з 16 клітинок об’єднаним генотипом.
4. Порахуйте фенотипи. Згрупуйте 16 нащадків за проявленими ознаками, а потім перетворіть кожну групу на частку від 16.

Для двох гетерозиготних батьків (AaBb × AaBb) це дає класичне співвідношення фенотипів:

• 9/16 мають обидві домінантні ознаки (A_B_)
• 3/16 мають домінантну ознаку 1 і рецесивну ознаку 2 (A_bb)
• 3/16 мають рецесивну ознаку 1 і домінантну ознаку 2 (aaB_)
• 1/16 мають обидві рецесивні ознаки (aabb)

Символ підкреслення означає «будь-який алель», оскільки він не змінює фенотип.

Це співвідношення 9:3:3:1 також є добутком двох окремих співвідношень 3:1: 3/4 × 3/4 = 9/16 для обох домінантних ознак, 3/4 × 1/4 = 3/16 для кожного випадку з однією домінантною ознакою та 1/4 × 1/4 = 1/16 для обох рецесивних ознак.

Приклад 1: гетерозиготний × гетерозиготний (AaBb × AaBb)

Обидва батьки утворюють чотири типи гамет: AB, Ab, aB, ab.

Співвідношення фенотипів:

• A_B_ (обидві домінантні): 9/16 (56,25%)
• A_bb (домінантна 1, рецесивна 2): 3/16 (18,75%)
• aaB_ (рецесивна 1, домінантна 2): 3/16 (18,75%)
• aabb (обидві рецесивні): 1/16 (6,25%)

Приклад 2: гомозиготний домінантний × гомозиготний рецесивний (AABB × aabb)

Кожен із батьків є гомозиготним, тому кожен утворює лише один окремий тип гамети: AB у батька 1 і ab у батька 2. Оскільки калькулятор завжди перелічує по чотири гамети для кожного з батьків, ця єдина гамета просто повторюється чотири рази: AB, AB, AB, AB і ab, ab, ab, ab. Решітка Пеннета все одно має розмір 4×4 і містить 16 клітинок, але кожна клітинка містить однаковий генотип.

Усі нащадки мають генотип AaBb і проявляють обидві домінантні ознаки.

Співвідношення фенотипів:

• A_B_ (обидві домінантні): 16/16 (100,00%)

Приклад 3: гетерозиготний × гомозиготний домінантний (AaBb × AABB)

Батько або мати 1 (AaBb) утворює чотири різні гамети: AB, Ab, aB, ab. Батько або мати 2 (AABB) є гомозиготним, тому його єдиний тип гамет, AB, повторюється чотири рази: AB, AB, AB, AB. У результаті все одно отримуємо решітку розміром 4×4 із 16 клітинок, де кожна з чотирьох гамет батька або матері 1 чотири рази поєднується з AB, тому кожен рядок повторюється в усіх чотирьох стовпцях.

З’являються чотири різні генотипи, кожен у 4 із 16 клітинок: AABB, AABb, AaBB і AaBb. Кожен із них має принаймні один домінантний алель кожного гена, тому кожен нащадок проявляє обидві домінантні ознаки.

Співвідношення фенотипів:

• A_B_ (обидві домінантні): 16/16 (100,00%)

Як користуватися цим калькулятором

1. Введіть генотип кожного з батьків у форматі AaBb: великі літери позначають домінантні алелі, малі — рецесивні; перша пара відповідає гену 1, а друга — гену 2.
2. Калькулятор перевіряє чотири речі. Кожен генотип має складатися рівно з чотирьох літер. Дві літери в парі мають позначати один і той самий ген, тому Aa приймається, а Ab — ні. Два гени в одному генотипі мають позначатися різними літерами, тому AaAa відхиляється. Обидва батьки мають містити ті самі два гени.
3. Два гени можна записувати в будь-якому порядку. BbAa читається як той самий генотип, що й AaBb, тому AaBb × BbAa — це те саме схрещування, що й AaBb × AaBb.
4. Решітка та співвідношення оновлюються під час введення даних. Натискати кнопку не потрібно.
5. Співвідношення позначається за ознакою, а не за літерою. «Домінантна ознака 1» означає, що ген 1 проявляється у домінантній формі (A_), а «Рецесивна ознака 2» означає, що ген 2 проявляється у рецесивній формі (bb). Для AaBb × AaBb інструмент виводить: «Домінантна ознака 1, домінантна ознака 2: 9/16 (56,25%)».
6. Використовуйте кнопку копіювання, щоб зберегти решітку та співвідношення як текст, або кнопку скидання, щоб повернути стандартне схрещування AaBb × AaBb.

Застосування розрахунків дигібридного схрещування

У курсах біології дигібридні схрещування використовують для навчання теорії ймовірностей і менделівської спадковості. Селекціонери рослин і тварин застосовують ті самі математичні розрахунки, щоб передбачити, які комбінації ознак з’являться в нащадків, перш ніж проводити фактичне схрещування. Генетичні консультанти використовують основний принцип — незалежне комбінування — для пояснення ризику успадкування двох не пов’язаних між собою захворювань. Дослідники застосовують його для визначення очікуваних співвідношень перед порівнянням їх з експериментальними даними.

Решітка Пеннета — один із кількох способів розв’язати ту саму задачу. Розрахунок імовірності перемножує ймовірності кожної ознаки окремо, наприклад 3/4 × 3/4 = 9/16 для двох домінантних ознак у схрещуванні AaBb × AaBb. Деревоподібна схема, або метод розгалужених ліній, дає ті самі числа, відстежуючи результати для кожного гена як окремі гілки. Усі три методи ґрунтуються на одному правилі незалежного комбінування й дають однакові співвідношення, коли два гени розташовані на різних хромосомах.

Реальна спадковість іноді відхиляється від цієї моделі. Гени, розташовані близько один до одного на тій самій хромосомі, успадковуються разом частіше, ніж передбачає незалежне комбінування; це явище називають зчепленням. Деякі пари генів взаємодіють так, що один ген маскує дію іншого; це називають епістазом. Цей калькулятор передбачає два незчеплені гени з повним домінуванням — стандартний випадок для навчальних задач.

Історія

Грегор Мендель, монах-августинець, провів перші документально підтверджені досліди з дигібридного схрещування рослин гороху в 1860-х роках, одночасно відстежуючи форму та колір насіння. У його праці 1866 року було описано отримане співвідношення 9:3:3:1, що привело до формулювання того, що нині називають законом незалежного комбінування. Праця Менделя залишалася переважно непоміченою до 1900 року, коли Гуго де Фріз, Карл Корренс і Еріх фон Чермак незалежно повторно відкрили ті самі закономірності, започаткувавши сучасну генетику. Пізніші досліди Томаса Ганта Моргана на плодових мушках показали, що гени на одній хромосомі не завжди розходяться незалежно, виявивши виняток у вигляді генетичного зчеплення.

Поширені запитання

Що таке дигібридне схрещування? Дигібридне схрещування — це схрещування двох організмів, під час якого одночасно відстежують два гени. Схрещування двох організмів, гетерозиготних за обома генами (AaBb × AaBb), дає нащадків зі співвідношенням фенотипів 9:3:3:1, якщо обидва гени мають повне домінування.

Чому співвідношення дорівнює 9:3:3:1? Воно виникає внаслідок поєднання двох незалежних співвідношень 3:1 — по одному для кожного гена: 3/4 × 3/4 = 9/16 для обох домінантних ознак, 3/4 × 1/4 = 3/16 для кожної комбінації з однією домінантною ознакою та 1/4 × 1/4 = 1/16 для обох рецесивних ознак.

У чому різниця між генотипом і фенотипом? Генотип — це сукупність алелів, які має організм, наприклад AaBb. Фенотип — це ознака, яку формує генотип, наприклад прояв обох домінантних варіантів ознак.

Чи завжди дигібридне схрещування дає по чотири різні гамети від кожного з батьків? У методі решітки Пеннета кожен із батьків завжди має чотири позиції для гамет. Чотири гамети гетерозиготного батька або матері справді різні (AB, Ab, aB, ab). Чотири гамети гомозиготного батька або матері є ідентичними копіями одного типу (наприклад AB, AB, AB, AB), тому в гомозиготних схрещуваннях утворюється один генотип, що повторюється, хоча решітка все одно має 16 клітинок.

Чи може цей калькулятор працювати зі зчепленими генами або кодомінуванням? Ні. Він передбачає, що два гени розташовані на різних хромосомах і комбінуються незалежно, а кожен ген має повне домінування. Зчеплені гени, а також кодомінантні або алелі з неповним домінуванням дають інші співвідношення, ніж ті, які розраховує цей інструмент.

Чи працює це для людських ознак? Та сама математика застосовується до будь-яких двох генів із простим домінантно-рецесивним успадкуванням, зокрема до деяких людських ознак. Проте більшість людських ознак пов’язані з кількома генами або залежать від довкілля, тому ця проста модель не описуватиме їх точно.

Джерела

1. Klug, W. S., Cummings, M. R., Spencer, C. A., & Palladino, M. A. (2019). Concepts of Genetics (12-те видання). Pearson.
2. Pierce, B. A. (2017). Genetics: A Conceptual Approach (6-те видання). W.H. Freeman.
3. Mendel, G. (1866). «Experiments on Plant Hybridization». Proceedings of the Natural History Society of Brünn.
4. National Human Genome Research Institute. «Dihybrid Cross». genome.gov/genetics-glossary/Dihybrid-Cross