CAPITOLUL I 1. Genetica tiina ereditii variabilitii organismelor vii 1.1. Definiia i obiectul de studiu Genetica este tiina biologic a crei obiect de studiu l constituie ereditatea i variabilitatea organismelor, stabilind mecanismele care asigur conservarea informaiei genetice precum i cele ale modificrii ereditare. Anul apariiei geneticii ca tiin este 1865, cnd GREGOR MENDEL a emis primele legi ale ereditii, redescoperite n 1900 de HUGO de VRIES, CORRENS i TSCHERMACK (BOTEZ, 1991). Denumirea de genetic a fost introdus de BATESON la Congresul de genetic din anul 1906. Ereditatea, ca obiect de studiu a geneticii reprezint nsuirea descendenilor de a moteni de la prini caracteristici asemntoare. Aceast nsuire asigur stabilitatea caracterelor de-a lungul generaiilor, continuitatea biologic a indivizilor n cadrul speciei de la o generaie la alta. Potenialitatea realizrii acestui caracter se face i

prin intermediul genelor. Gena este definit ca particula material a ereditii localizat n cromozom i care condiioneaz formarea uneia sau mai multor caractere sau nsuiri. Totalitatea genelor unui organism viu (cele nucleare) reprezint genotipul. Totalitatea genelor din cadrul unui set haploid de cromozomi, transmise ca o unitate de la unul din prini reprezint genomul. Felul de a fi a unui individ ca mod de manifestare a genotipului, n interaciune cu condiiile de mediu reprezint fenotipul. Noiunile de genotip i fenotip au fost introduse de JOHANSEN n 1909 (PANFIL, 1980). Variabilitatea ca cel de al doilea obiect de studiu a geneticii, reprezint nsuirea organismelor vii, cu diferite grade de nrudire, de a se deosebi ntre ele. n natur nu exist doi indivizi identici. Chiar i gemenii uniovulari nu sunt identici din punct de vedere genetic, ei manifestnd profile imunologice diferite, constituite n primele ase luni de via (BOTEZ, 1991). Variabilitatea poate fi ereditar i neereditar. a) Variabilitatea ereditar se transmite n descenden, de la prini la urmai i are ca surs recombinarea genelor n procesul de formare a gameilor i fecundare (variabilitate recombinativ), sau prin modificarea materialului genetic sub2

aciunea unor factori mutageni (variabilitate mutaional). b) Variabilitatea neereditar este determinat exclusiv de influena condiiilor de mediu i cu toate c nu se transmite n descendeni, face parte din aspectul fenotipic al unui anumit individ. Variabilitatea fenotipic, sau diferenele constatate ntre indivizi are dou surse primare i inseparabile de variabilitate: variabilitatea genotipic i variabilitatea indus de mediu sau ecologic. Aceast relaie poate fi exemplificat prin formula VP=VG+VE, n care VP reprezint variabilitatea fenotipic; VG reprezint variabilitatea genetic i VE variabilitatea ecologic. 1.2. Scopul i importana geneticii Variabilitatea genotipic sau ereditar are cel mai important rol n evoluie precum i n munca de ameliorare. Diversitatea genetic a organismelor vii a permis ca prin intermediul seleciei naturale sau artificiale s fie promovate, n generaiile succesive, doar genotipurile cel mai bine adaptate condiiilor de mediu, sau a celor ce rspund obiectivelor ameliorrii.3

Datorit dezideratelor prezentate, genetica este considerat o adevrat plac turnant n cadrul tiinelor biologice, fiind esenial pentru toi cei care studiaz viaa plantelor, a animalelor sau microorganismelor. Ea ocup o poziie central n diverse sectoare ale activitii umane (agricultur, alimentaie, medicin, ecologie .a.) (Elena TMA, 2000). Pentru creterea produciei agricole apare necesitatea ameliorrii materialului biologic existent. Orice program de ameliorare necesit un studiu a determinismului genetic a materialului iniial pentru stabilirea metodei de ameliorare. Genetica constituie de fapt baza teoretic a ameliorrii plantelor. Descoperirile din domeniul geneticii moleculare i a ingineriei genetice sunt n prezent tot mai utile, fiind utilizate n elucidarea unor probleme de interes major. Obiectivul principal al ingineriei genetice const n modificarea genomului unor plante sau animale prin introducerea unor gene sau a unor fragmente de ADN de la o celul donatoare la una receptoare, obinndu-se specii transgenice. Pe aceast cale, la plante s-au obinut genotipuri rezistente la boli i duntori, la ierbicide, pesticide, stresuri climatice .a.4

Prin intermediul ingineriei genetice au fost obinute surse bacteriene capabile de a produce proteine specifice mamiferelor, cum ar fi insulina, interferonul, hormonul de cretere .a. De asemenea prin aplicarea metodelor genetice se pot contracara acumulrilor tarelor genetice (caractere nefavorabile patogenetice .a.). n ceea ce privete genetica forestier, ea se individualizeaz n primul rnd datorit naturii aparte a plantelor lemnoase din pduri, cu deosebire, arborii. Ca plante slbatice, extrem de vechi, policarpice, foarte longevive, de dimensiuni mari, arborii dein un grad avansat de heterozigoie i mari rezerve de variabilitate genetic, se difereniaz prin ponderea mare a caracterelor cantitative supuse unui control poligenic aditiv, convieuind adeseori n ntinse comuniti (populaii) naturale, politipice, polimorfe, n care panmixia se manifest cu deosebit intensitate, iar mecanismele generale de homeostazie genetic sunt extrem de perfecionate (STNESU, 1982). 1.3. Ramurile geneticii i metodele de cercetare utilizate Genetica formal sau genetica clasic, studiaz legile ereditii descoperite de GREGOR MENDEL (transmiterea n descenden a5

caracterelor determinate de gene plasate pe cromozomi diferii) i THOMAS HUNT MORGAN i colaboratorii si (transmiterea n descenden a caracterelor determinate de gene plasate pe aceiai pereche de cromozomi). n studiul mecanismelor ereditii genetica a utilizat metode de lucru i baze de date oferite de alte tiine. Din mbinarea acestora, au luat natere numeroase ramuri ale geneticii, dintre care menionm: Citogenetica, care studiaz structurile celulare cu rol genetic. Radiogenetica, studiaz efectele radiaiilor asupra bazei materiale a ereditii. Genetica molecular, studiaz ereditatea la nivel molecular, biochimic. Genetica populaiilor, studiaz structura genetic a organismelor vii, precum i factorii care modific structura populaiilor. Genetica ecologic, studiaz procesele de adaptare a populaiilor naturale la mediul lor de via. Genetica cantitativ, studiaz legitatea variabilitii caracterelor, prin aplicarea metodelor matematice la studiul variabilitii.

6

Genetica uman, cu rol major n prevenirea, combaterea i tratarea bolilor ereditare la om. Genetica fiind o disciplin experimental, dezvoltarea ei a fost condiionat de metodele i posibilitile de cercetare proprii, dar i de altele specifice altor discipline, de care genetica se poate folosi pentru nelegerea i explicarea legitilor i fenomenelor sale. Metoda genealogic, const n nregistrarea i analiza datelor privind relaiile dintre indivizi ntr-o succesiune de generaii. Prin utilizarea acestei metode se poate stabili modul de transmitere ereditar a caracterelor, precum i modul de manifestare. Metoda hibridologic, const n ncruciarea unor organisme cu ereditate diferit i analiza statistic-matematic a motenirii caracterelor la urmai. Prin intermediul ei se poate urmri modul de transmitere ereditar a caracterelor, a aciunii genelor i a grupelor de linkage ale acestora .a. Cu ajutorul acestei metode au fost descoperite primele legi ale ereditii de ctre G. MENDEL i T.H. MORGAN. Metoda biometric, const n studierea diferitelor caracteristici cantitative i stabilirea corelaiilor dintre diferite caractere. Aceast metod ofer informaii asupra variabilitii 7

diferitelor caractere i corelaiilor existente ntre ele, gradul de meninere i mbuntirea caracterelor i a nsuirilor obinute prin selecie .a. Metoda citogenetic, este utilizat pentru studiul structurilor celulare cu rol genetic, cu ajutorul aparaturii de laborator specifice (microscoape, tehnici cromatografice, difracie cu raze X .a.). Cu ajutorul ei s-au studiat caracteristicile cromozomilor i a altor structuri cu rol genetic. Metoda radiaiilor, permite utilizarea diferitelor tipuri de radiaii pentru modificarea ereditii organismelor. Metode biochimice i biofizice, contribuie la cunoaterea structurii materialului genetic la nivel molecular. Materialul genetic utilizat, n general pentru studiile de genetic clasic trebuie s prezinte urmtoarele particulariti: - s aib caractere bine conturate, uor de urmrit (markeri genetici); - s aib ciclul scurt de dezvoltare; - s permit obinerea unui numr mare de descendeni; - s posede un numr relativ mic de cromozomi;8

- s fie acceptabil la aciunea factorilor mutageni; - s nu fie foarte scump i s fie relativ uor de ntreinut. Ca teste genetice ce ndeplinesc condiiile de mai sus, se poate utiliza: Drosophila, Neurospora, Escherichia, diferite virusuri, mai ales fagi, porumbul, bobul .a. 1.4. Scurt istoric a dezvoltrii geneticii n anul 1865, GREGOR MENDEL a comunicat rezultatul cercetrilor sale privind hibridarea la plante, marcnd nceputurile geneticii, tiina ereditii. El a fost primul naturalist care a aplicat cu succes teoria probabilitilor, pentru a explica fenomenul de dominan i segregare a factorilor ereditari la hibrizi, fiind considerat unul dintre fondatorii geneticii ca tiin. Cercetrile lui MENDEL au rmas necunoscute pn n 1900, cnd au fost redescoperite de HUGO de VRIES, CORRENS i TSCHERMACK, simultan i independent unul de cellalt, moment care marcheaz cu adevrat apariia geneticii ca tiin. Trebuie menionat faptul, c problemele legate de genetic i transmiterea ereditar a caracterelor au preocupat din totdeauna omenirea.9

Primele dovezi scrise privind cunotinele despre ereditate ale civilizaiilor antice, au fost ntlnite la popoarele asiro-caldeene din Orientul mijlociu. n Mesopotamia, la Elam, a fost descoperit o tbli de piatr cu o vechime de 6.000 de ani, cu pedigre-ul capului i copitei la cinci generaii de cai. n Grecia Antic filozofii greci ncercau s gseasc rspuns la nterbarea de ce copii seamn cu prinii, sau care sunt cauzele bolilor motenite. Ei au emis aa numita teorie preformist prin care explicau c noul organism este preformat n gamei, spermatozoid (teoria spermatocist), sau n ovul (teoria ovocist). Un reprezentant de seam a teoriei spermatociste a fost filozoful ANAXAGORA. n Evul Mediu, ideile gnditorilor greci au fost perpetuate, fr ns a se aduce noi argumente sau supoziii referitoare la problemele ereditii. Cercetrile legate de genetic iau o amploare deosebit ncepnd din secolul al 19-lea, cnd diferii biologi au elaborat o serie de ipoteze teoretice, speculative despre mecanismele ereditii. n toate aceste teorii se susine c motenirea caracterelor se realizeaz prin intermediul unor particule care migreaz din toate organele corpului ctre celulele sexuale, unde se activeaz i se transmit, dup fecundare, n10

descendeni. Dei au un principiu comun privind transmiterea ereditar a caracterelor, poart denumirea dat de autorii lor: - teoria panspermiei sau teoria pangenezei, elaborat de DARWIN - teoria plastidulelor, elaborat de HAECKEL; - teoria micelar, elaborat de NGELI; - teoria pangenelor, elaborat de H. de VRIES. n acelai secol, WOLFF i BAER au formulat teoria epigenetic, dup care noul organism se formeaz n momentul fecundrii, iar WEISMANN teoria plasmei germinative care a stabilit experimental c nc de la primele diviziuni ale zigotului are loc separarea liniei germinale (care va da natere la glandele sexuale), de linia somatic (din care se vor forma celelalte organe ale embrionului i ale adultului). Importana acestor teorii rezid din faptul c dei speculative, au cutat s gseasc un suport material fenomenului ereditii. Toate se caracterizeaz prin aceea c admiteau dualitatea germen soma n sensul c organismul oricrui individ este alctuit din dou pri distincte, independente una de alta, germenul sau plasma germinativ, rspunztoare de pstrarea caracterelor ereditare i transmiterea lor i soma,11

restul corpului. Dup fecundare, germenul se separ de som i nu poate fi influenat de condiiile de mediu, urmnd a fi integrat n gamei (BOTEZ, 1991). Teoria factorilor ereditari formulat de MENDEL (1865), constituie prima teorie tiinific a ereditii, legile formulate de el fiind valabile i astzi. Conform acestei teorii, caracterele unui organism sunt determinate de factori ereditari grupai n perechi, care n momentul formrii gameilor se separ, fiecare gamet cuprinznd un singur factor, factori ce se reunesc n moduri diferite n momentul fecundrii, conducnd, ca urmare a relaiilor de dominan i recesivitate ce se stabilesc ntre ei, la apariia segregrii (diferenierea caracterelor parentale n anumite proporii) (BOTEZ, 1991). n primii ani ai secolului 20, BATESON descoper c legile mendeliene au valabilitate i n lumea animal, iar n 1908 tot el este acela care denumete noua tiin biologic ce se ocup de studiul ereditii, genetica (dup RAICU, 1980). Ulterior, JOHANSEN a emis noiunea de genotip, prin care se nelege baza ereditar a organismelor care cuprinde totalitatea factorilor ereditari (gene) i fenotip, prin care se nelege totalitatea12

caracterelor i nsuirilor organismului. n 1906, a introdus n tiin noiunea de gen. Cu toate c n urma cercetrilor efectuate de HERTWIG n 1875 i apoi de FLEMMING (1882)i alii, au fost descoperii cromozomii, denumii astfel de WALDEYER (1888), legtura dintre acetia i factorii mendelieni nu s-a fcut dect dup 1900 n urma cercetrilor lui SUTTON i BOVERII, care n 1902 au formulat ipoteza conform creia factorii ereditari se regsesc n cromozomi, fiecare specie avnd un anumit numr de cromozomi, cu o anumit form i mrime (dup RAICU, 1980). Aceast idee a fost preluat de T. MORGAN i colaboratorii si, care n primele decenii ale secolului 20, au pus bazele geneticii clasice elabornd teoria cromozomal a ereditii. n urma cercetrilor fcute de BATESON i PUNNET n 1906, acetia au descoperit fenomenul de linkage. MORGAN, fcnd o sintez a cunotinelor acumulate, consider c genele sunt plasate n lungul cromozomului, liniar, transmindu-se mpreun cu cromozomii n procesul formrii gameilor, iar ntre cromozomii perechi, omologi, provenii de la cei doi prini, pot avea loc schimburi reciproce de gene (fenomenul de crossing-over). Mai trziu, AVERY, McLEOD i McCARTY (1944) au demonstrat faptul c ADN-ul (acidul13

dezoxiribonucleic), din care sunt constituii n mare parte cromozomii, este purttorul material al ereditii. Dup cel de al doilea Rzboi Mondial, s-au dezvoltat considerabil cercetrile privind materialul genetic la nivel molecular. Printre cele mai importante realizri ale geneticii moleculare pot fi citate, descoperirea fenomenului de transformare la bacterii cu ajutorul ADN (AVERY i colab., 1944), descoperirea structurii macromoleculei de AND, deschiznd calea cercetrilor privind acizii nucleici (WATSON, CRICK i WILKINS, 1953), realizarea biosintezei artificiale a ARN (GRUNBERGMANAGO i OCHOA, 1955) i ADN (KORNBERG, 1956), descoperirea faptului c la ribovirusuri ARN-ul constituie materialul genetic n care se gsete codificat informaia genetic (FRAENKEL i colab., 1956), descifrarea codului genetic (OCHOA, NIRENBERG i alii, 19611967), descoperirea reglajului genetic (JACOB i MONOD, 1961), sinteza artificial a genei (KHORANA, 1970) .a. Dup 1970 s-au dezvoltat considerabil cercetrile de inginerie genetic care i propune: izolarea i sinteza artificial a genelor, transferul intraspecific i interspecific a genelor, de la organisme procariote la cele eucariote i invers, manipularea materialului genetic la nivel celular14

prin realizarea de haploizi prin androgenez experimental la plante, crearea de microorganisme capabile s sintetizeze aminoacizi, proteine, hormoni, vitamine, antibiotice .a. n 1981, BERG i GILBERT, au reuit s sintetizeze in vitro i s construiasc o molecul de ADN-recombinant, prin care s-au demarat spectaculos cercetrile n domeniul ingineriei genetice i ale biotehnologiilor. Dintre realizrile spectaculoase, n acest domeniu, din ultima jumtate a secolului 20, merit menionate: 1951 - primul transfer de embrioni la o vac; 1952 - primul viel nscut prin nsmnare artificial; 1952 - prima clonare la amfibieni; 1952 - prima plant regenerat in vitro; 1970 - prima plant regenerat pornind de la protoplati; 1972 - primul hibrid interspecific obinut prin fuziune de protoplati (la tutun); 1973 - identificarea plasmidului Ti (tumor inducting); 1978 identificarea primei gene umane; 1983 - obinerea primei plante transgenice; 1984 - prima natere uman, pornind de la un embrion congelat;15

1985 - prima plant transgenic rezistent la o insect; 1986 - prima clonare la mamifere, utiliznd celule embrionare; 1987 - prima plant transgenic rezistent la ierbicid; 1983 - prima cereal transgenic; 1991 - prima utilizare a unui segment de ADN ca medicament; 1995 - primul copil pornind de la fecundarea in vitro a unui ovocit; 1997 - prima clonare somatic in vitro la mamifere (oaia Dolly); 2001 - descifrarea genomului uman (dup Mihaela CORNEANU, 2001). La noi n ar primele cercetri de genetic au fost efectuate nc nainte de 1900. C. VASILESCU (1840-1902) a urmrit n experienele hibridologice modul de transmitere a unor caractere la suine, semnalnd fenomenul de dominan i recesivitate precum i segregare n generaia F2 (dup RAICU, 1980). C. SANDU-ALDEA (1874-1927), a publicat n 1915 primul manual de ameliorarea plantelor fundamentat pe principii genetice. E. RACOVI (1868-1947), a dezvoltat teoria legturii dintre ereditate i mediu.16

Gh. IONESCU SISETI (1885-1963) s-a afirmat prin realizri remarcabile de crearea unor soiuri de gru. Traian SVULESCU (1889-1963), fondatorul colii moderne de fitopatologie la baza creia st conceptul evoluiei conjugate gazd-parazit i al modificrilor ereditare n urma interaciunilor bilaterale. N. SULESCU (1898-1977), are contribuii remarcabile n domeniul geneticii cantitative. n 1936, la iniiativa savantului Gh. MARINESCU a luat fiin prima Societate de Genetic din Romnia (BOTEZ, 1991). Ultimii 20 de ani constituie perioada celor mai remarcabile realizri materializate prin lucrri de mare valoare teoretic i practic. Prin aplicarea principiilor de genetic, n ameliorarea plantelor s-au fcut progrese remarcabile, crendu-se hibrizi i soiuri valoroase, la majoritatea speciilor cultivate. Au fost obinui hibrizi interspecifici i intergenerici la gru (PRIADCENCU, 1901-1975) la Bucureti, linii homozigote obinute artificial la porumb (C. BOTEZ) i hibrizi obinui din linii dihaploide, haploizi la cartof prin ncruciri interspecifice (PANFIL i MARIN), linii poliploide de trifoi rou la Cluj-Napoca.17

Realizri remarcabile s-au obinut la Institutul Agronomic Bucureti mai ales n domeniul geneticii cantitative (T. CRCIUN). Realizri deosebite n domeniul ameliorrii plantelor au fost obinute de N.N. SULESCU, la gru, Al. VRNCEANU la floarea soarelui, CBULEA i O. COSMIN, la porumb, L. DRGHICI la orz .a. n domeniul ingineriei genetice s-au obinut rezultate notabile obinute de colectivul condus de P. RAICU de la Universitatea Bucureti, precum i n cadrul Institutului de Biologie i ICCPT Fundulea.

18

CAPITOLUL II 2. Legile mendeliene ale ereditii G. MENDEL a nceput cunoscutele sale experiene de hibridare la plante n 1857 i opt ani mai trziu el sintetizeaz rezultatele obinute n cele dou legi ale segregrii i anume: - legea puritii gameilor sau segregrii factorilor ereditari; - legea liberei combinaii a factorilor ereditari, sau a segregrii independente a perechilor de caractere. G. MENDEL a nceput experienele de hibridare la diferite specii de plante ca: Pisum, Hieracium, Phaseolus, Cirsium, Linaria, Mirabilis, Zea etc., ns n mod deosebit a fcut cercetri la mazre (Pisum sativum), plant autogam care are caractere morfologice ce se pot uor recunoate. El a nceput s lucreze cu 34 de soiuri de mazre, dar dup doi ani de experiene s-a fixat asupra a 22 de soiuri ce se deosebesc prin caracterele distincte (bob galben - bob verde, plante nalte - plante pitice, bob neted - bob zbrcit etc.) i constante, dnd natere unei descendene omogene.

19

2.1. Monohibridismul i legea puritii gameilor Monohibridarea const n ncruciarea a doi indivizi, care se deosebesc printr-o singur pereche de caractere. GREGOR MENDEL a ncruciat mazrea cu bobul neted (caracter datorat prezenei amidonului) cu mazrea cu bobul zbrcit (caracter datorat prezenei dextrinei), obinnd n prima generaie numai plante cu bob neted. Acest caracter a fost denumit dominant, n timp ce caracterul bob zbrcit, care nu a aprut n prima generaie, a fost denumit recesiv. Prin autopolenizarea plantelor din prima generaie, a obinut n generaia a doua att plante cu bob neted, ct i cu boabe zbrcite, proporia dintre caracterul dominant i cel recesiv fiind de 3:1. G. MENDEL a cercetat modul de segregare i la alte perechi de caractere, rezultatele fiind prezentate n tabelul 2.1. G. MENDEL explic segregarea celor dou caractere studiate, bob neted i bob zbrcit, ca fiind datorate prezenei n celul a dou tipuri de factori ereditari, notai cu A i a. Plantele din soiul cu boabe netede (AA) conin excesiv factorul ereditar care determin acest caracter, iar cele din soiul cu boabe zbrcite (aa) conin exclusiv factorul ereditar al caracterului respectiv. La hibrizii din prima20

generaie, factorii ereditari ai mamei i tatlui se altur (Aa), astfel c atunci cnd acestea formeaz gamei, factorii ereditari se separ, fiecare gamet neavnd dect un singur tip de factor ereditar (fig. 2.1.) Tabelul 2.1. Rezultatele ncrucirilor ntre diferite soiuri de mazre (efectuate de G. MENDEL) Domin nsuirea ante (D) Forma Neted boabelor Galbe Culoarea n cotiledoanelor Colora Culoarea cojii t boabelor Tare Consistena Verde pstilor Axilar Culoarea pstilor nalt Dispoziia florilor Forma plantei Caractere Reces Domin ive ante (r) Zbrc 5.4 it 74 Verde 6.0 Alb 22 Moal 705 e 882 Galbe 428 n 651 Termi 787 nal Pitic Propor ia Rece D: r sive 1.8 50 2.0 01 22 4 29 9 15 2 20 7 27 7 2,989 : 1,0104 3,0023: 0,9977 3,0355: 0,9645 2,9873: 1,0127 2,9517: 1,0483 3,0349: 0,9651 2,9586: 1,0414

21

Total pentru toate nsuirile

14. 949

5.0 2,9933: 10 1,0067

Fig. 2.1. Schema experienei de hibridare ntre mazrea cu boabe netede (AA) i cea cu boabe zbrcite (aa)

22

n mod asemntor, poate s se desfoare i o ipotetic monohibridare la salcm (fig. 2.2.)

23

Fig. 2.2. Monohibridare ipotetic la salcm: AA forma normal cu flori albe; aa forma decaisneana cu flori roz Gameii sunt, n felul acesta, puri din punct de vedere genetic. Prin unirea acestor gamei pe baz de probabilitate n F2, n procesul fecundrii, se obin plantele generaiei a doua, care se comport astfel: - 25% din plante sunt pure cu bobul neted, avnd un singur tip de factori ereditari (AA); - 25% din plante sunt pure cu bobul zbrcit, avnd exclusiv cellalt tip de factori ereditari (aa); - 50% din plante cu bobul neted, poart ambii factori ereditari alturai (Aa). MENDEL a denumit plantele, care conin un singur tip de factor ereditar homozigote, iar cele care conin ambele tipuri, heterozigote. La indivizii heterozigoi nu se manifest dect unul dintre factorii ereditari, cel dominant (bob neted), cellalt rmnnd n stare ascuns (bob zbrcit). n acest fel, G. MENDEL a reuit s descopere deosebirea dintre structura genetic a organismelor i nfiarea lor, noiune care mai trziu a fost24

denumit de JOHANSEN genotip i respectiv fenotip. Genotipul reprezint totalitatea genelor coninute de un organism. Fenotipul reprezint suma nsuirilor morfologice, fiziologice, biochimice i de comportament a unui organism ca rezultant a interaciunii dintre genotip i mediu. Din exemplul anterior se remarc faptul c plantele cu acelai fenotip (75% bob neted), prezint genotipuri diferite: 25% sunt homozigote i 50% sunt heterozigote. Studiul comportrii n descenden a hibrizilor obinui l-a condus pe Mendel la elaborarea primei legi a ereditii, legea puritii gameilor. Gameii sunt ntotdeauna puri din punct de vedere genetic, adic nu conin dect unul dintre factorii ereditari. Prin combinarea probabilistic a acestor gamei rezult n generaia a doua, n urma fenomenului de segregare, un raport de 3 dominant : 1 recesiv. Prin autofecundarea generaiei a doua se obine generaia a treia, la care se observ urmtoarele: - din plantele pure cu bobul neted se obin exclusiv plante cu bobul neted; - din plantele pure cu bobul zbrcit se obin exclusiv plante de acest tip; - plantele heterozigote cu bobul neted segreg n felul urmtor: 25% plante25

homozigote cu bobul neted, 25% plante homozigote cu bobul zbrcit i 50% plante heterozigote cu bobul neted. Deci, plantele heterozigote din generaia a doua se comport n generaia a treia la fel cum se comport hibrizii din prima generaie. Dac florile plantelor hibride din prima generaie se polenizeaz cu polen de la plantele genitorului cu bob neted (backcross), atunci se obin n generaia a doua numai plante cu boabe netede, din care 50% sunt homozigote i 50% heterozigote. n caz contrar, dac polenizarea se realizeaz cu polen de la plantele cu bobul zbrcit, se va forma n generaia a doua jumtate plante heterozigote cu bobul neted i jumtate homozigote cu bobul zbrcit (fig. 2.3.).

Fig. 2.3. Segregarea la ncruciarea heterozigoilor (Aa) din F1 cu genitorii (AA sau aa)26

Obinerea ultimei combinaii nu ar fi posibil dac gameii ar conine ambii factori ereditari, deci gameii sunt puri din punct de vedere genetic, adic conin un singur factor ereditar (o singur gen) din perechea considerat. 2.2. Dihibridarea i legea independente a perechilor de caractere segregrii

ncruciarea ntre prini care se deosebesc prin dou perechi de caractere poart numele de dihibridare. G. MENDEL a studiat cazul cnd genitorii se deosebesc prin dou perechi de caractere. El a ncruciat mazrea cu bobul neted i culoare galben cu mazrea cu bobul zbrcit i de culoare verde. n prima generaie hibrid, toate plantele aveau boabe netede i de culoare galben (caractere dominante). Prin autopolenizarea plantelor din prima generaie s-a obinut generaia a doua (F2) n care aproximativ 9/16 din plante aveau boabe netede i galbene, 3/16 zbrcite i galbene, 3/16 netede i verzi i 1/16 zbrcite i verzi (fig. 2.4.) n mod ipotetic, ncruciarea unei forme de salcm cu flori albe (AA) i cu lujeri spinoi (SS) caractere dominante, cu o form cu flori roze (aa) i27

lujeri nespinoi (ss) caractere recesice n prima generaie s-ar obine numai exemplare cu flori albe i lujeri spinoi. n F2, la arborii obinui prin autofecundarea hibrizilor F1 s-ar ajunge la urmtoarea repartiie a caracterelor: 9/16 plante cu flori albe i lujeri spinoi, 3/16 plante cu flori albe i lujeri nespinoi, 3/16 plante cu flori roze i lujeri spinoi i 1/16 plante cu flori roze i lujeri spinoi (STNESCU, 1982). Aceast segregare se explic prin aceea c hibrizii din prima generaie provenii din prini ce se deosebesc prin dou perechi de caractere, formeaz patru categorii de gamei n care se afl cte un singur factor ereditar din fiecare pereche. Prin combinarea celor patru categorii de gamei se formeaz 16 combinaii care reprezint segregarea n cazul ncrucirii prinilor ce se deosebesc prin dou perechi de caractere, care se realizeaz astfel: 9:3:3:1. n cazul unei trihibridri, cnd se ncrucieaz organisme care se deosebesc prin trei perechi de caractere, se formeaz opt tipuri de gamei masculi i opt tipuri de gamei femeli, prin a cror unire pe baz de probabilitate se formeaz 64 de combinaii i 8 tipuri de organisme: - 27/64 cu trei caractere dominante (ABC);28

- 9/64 cu dou caractere dominante i unul recesiv (ABc); - 9/64 cu dou caractere dominante i unul recesiv (AbC);

29

Fig. 2.4. Dihibridarea tip Pisum (raport de segregare fenotipic 9:3:3:1) - 9/64 cu dou caractere dominante i unul recesiv (aBC); - 3/64 cu un caracter dominant i dou recesive (Abc); - 3/64 cu un caracter dominant i dou recesive (aBc); - 3/64 cu un caracter dominant i dou recesive (abC);30

- 1/64 cu trei caractere recesive (abc). n acest fel, MENDEL a ajuns la concluzia c la ncruciarea ntre organisme ce se deosebesc prin dou sau mai multe perechi de caractere are loc fenomenul segregrii independente a perechilor de caractere. El a considerat, de asemenea, c ereditatea unei perechi de caractere este independent de ereditatea celeilalte perechi de caractere, astfel c i segregarea are loc independent. Dac n exemplul cu dihibridarea, se studiaz segregarea perechii de caractere bob neted i bob zbrcit, fr s se in seama de culoarea bobului (galben sau verde), atunci se obine acelai raport de segregare de 3:1 ntre boabele netede i cele zbrcite. Acelai lucru se ntmpl i n cazul culorii boabelor. Aceasta este segregarea de tip Pisum denumit astfel deoarece a fost descoperit la mazre. n conformitate cu acest tip de segregare, n F2 heterozigoii de tip Aa sunt identici fenotipic cu homozigoii AA. 2.3. Alte tipuri de segregare Abaterile de la legile mendeliene ale ereditii apar n urma mecanismelor de interaciune a genelor, ce genereaz fenomene de dominan complet, incomplet, letalitate .a. Raportul de31

segregare genotipic n F2 este acelai, dar n funcie de relaiile existente ntre genele alele sau nealele, aceste constituii genotipice determin fenotipuri diferite. 2.3.1. Semidominana n cazul dominanei complete, organismele homozigote (AA) prezint acelai fenotip cu cele heterozigote (Aa). n unele cazuri ns, fenotipul organismelor ce conin genele alele n stare heterozigot se deosebete de cel al organismelor ce conin genele respective n stare homozigot (deci AAAa). Fenomenul menionat este cunoscut sub denumirea de semidominan sau dominan incomplet. Semidominana a fost descoperit de CORRENS n 1912 la specia Mirabilis jalapa. ncrucind o plant cu flori roii (RR), cu una cu flori albe (rr), a obinut n generaia F1 plante cu flori de o culoare intermediar, roz (Rr). Indivizii heterozigoi (Rr) manifest caractere intermediare ntre fenotipurile genitorilor, datorit dominanei incomplete sau semidominanei genei R dominant asupra genei r recesiv. Prin autopolenizarea plantelor hibride F1, n F2 s-au obinut att plante cu flori roii i albe, dar i plante cu flori roz. Raportul fenotipic este identic cu cel32

genotipic 1RR (flori roii):2Rr (flori roz):1rr (flori albe) (fig. 2.5.).

Fig. 2.5. Fenomenul de semidominan n transmiterea culorii florii la Mirabilis jalapa (raport de segregare fenotipic 1 rou:2 roz:1 alb) La Zea mays, din ncruciarea unei varieti cu boabe albastre cu una cu boabe galbene au rezultat33

n F1 plante cu boabe violete, culoare intermediar ntre genitori. n F2 s-a produs segregarea astfel:1 albastru: 2 violet:1 galben. Acest tip de segregare (1:2:1), n care organismele heterozigote prezint fenomenul dominanei incomplete, este cunoscut sub denumirea de segregare de tip Zea, pentru a-l deosebi de segregarea de tip Pisum de 3:1 observat de MENDEL. La psri fenomenul de dominan incomplet a fost observat la ginile de Andaluzia, cu penaj de culoare albstruie. Ele provin din ncruciarea unei rase de gini cu penajul negru cu una cu penajul alb. n F1 toate psrile au penaj albastru. n F2 se produce segregarea astfel: 25% penaj negru, 25% penaj alb i 50% penaj albastru. Aceasta nseamn c ginile de Andaluzia cu penaj albastru sunt heterozigote, fapt pentru care ele segreg mereu, neputndu-se crea o ras de gini de Andaluzia. Dominana incomplet intervine i n cazul raporturilor de segregare la arbori, fenomenul acionnd probabil, n cazul unor caractere cum sunt forma acuminat a solzilor conurilor de molid, n raport cu forma rotunjit sau culoarea rocat a ritidomului, la pinul silvestru, n raport cu culoarea cenuie-nchis a ritidomului .a. 2.3.2. Supradominana34

n acest caz, indivizii heterozigoi depesc n productivitate, fertilitate, viabilitate etc., genitorii homozigoi, dominani sau recesivi, AAaa. Fenomenul se numete supradominan i el poate fi observat att la plante ct i la animale. n procesul de apariie a supradominanei sunt de obicei, implicate mai multe gene cu caracter aditiv. Fenomenul mai poart denumirea de heterozis monogenic. La Drosophila melanogaster, heterozigoii + ww , prezint o cantitate mai mare de pigmeni n ochi (sepiaterina), fa de genitorii homozigoi w+w+ (ochi rou-crmiziu) i ww (ochi albi). 2.3.3. Codominana Codominana determin apariia la indivizii heterozigoi pentru genele dominante a unui fenotip nou, comparativ cu indivizii homozigoi. Se tie c indivizii din populaia uman pot s aib patru grupe de snge notate cu A, B, AB i 0. Aceste grupe de snge sunt determinate genetic de trei grupe de gene polialele notate LA, LB i l. Genele LA i LB sunt dominante asupra genei l, iar mpreun sunt codominante, adic determin un fenotip nou grupa de snge AB. Ca urmare, indivizii pot fi fenotipic i genotipic de mai multe tipuri (tabelul 2.2.)35

Fenotip Genoti p 0 ll LALA A LAl LBLB B LBl AB LALB Fig. 2.2. Schema grupelor de snge din sistemul AB0 n cazul fenomenului de codominan, ambele gene sunt funcionale, determinnd apariia unui fenotip nou. Genotipul heterozigot LALB se manifest prin grupa de snge AB. Pentru realizarea unor transfuzii sangvine trebuie cunoscute grupele de snge ale donatorului i receptorului. Cunoaterea modului cum se motenesc grupele sangvine are importan i n stabilirea paternitii. 2.3.4. Pleiotropia

36

Prin fenomenul de pleiotropie se nelege efectul fenotipic multiplu a unei singure gene. Genele care au capacitatea de a determina la acelai organism dou sau mai multe caractere se numesc pleiotropice. Fenomenul a fost observat de MENDEL, care a demonstrat c mazrea cu flori albe are boabe cu tegumentul alb, cea cu flori colorate are tegumentul cenuiu sau brun. NILLSON-EHLE a artat c o anumit gen la ovz modific simultan forma aristelor spicului, pilozitatea i fragilitatea tulpinilor. Un exemplu caracteristic de pleiotropie l ofer hibridul Nicotiana silvestris Nicotiana tabacum, la care apar ase caractere distincte, deschiderea carpelelor, transformarea ovulelor n carpele, alungirea axei florale deasupra carpelelor, placentaia, cantitatea de nectar i ncreirea bazal a corolei, care sunt controlate de aceiai gen. 2.3.5. Genele letale Genele letale schimb raportul mendelian de segregare, deoarece prezena lor n stare homozigot (dominant sau recesiv) determin moartea indivizilor purttori, nainte de maturitatea sexual.

37

Dup gradul de manifestare, efectul genelor letale poate fi: - gene letale, ce cauzeaz o mortalitate de 100% a indivizilor purttori; - gene semiletale, n acest caz 50% dintre indivizii purttori mor; - gene subvitale, care cauzeaz moartea unui numr mai mic dect 50% dintre indivizii purttori. Noiunea de gen letal a fost introdus n tiin de ctre CUNOT (1911), n urma cercetrilor intreprinse pe oareci de culoare galben. Acetia s-au dovedit a fi ntotdeauna heterozigoi, deoarece prin ncruciarea a doi oareci galbeni, nu se obin niciodat numai oareci galbeni, ci un amestec cu indivizi de alt culoare. Raportul ntre oarecii galbeni i cei de alt culoare este n general de 2:1. Dac se noteaz gene pentru culoarea normal a blnii cu a i mutanta sa care determin culoarea galben a blnii cu Ay (yellow = galben), prin ncruciarea ntre organisme heterozigote ar trebui s se obin raportul de 3:1 ntre indivizii galbeni i de alt culoare (fig. 2.6.)

38

Fig. 2.6. Fenomenul de letalitate de dominan la oareci (raport de segregare fenotipic 1:2:1 letal) Aya Aya=AyAy+2Aya+aa Dac se ine seama de tipul AyAy, adic galben homozigot lipsete, s-a dedus c gena Ay este o alel mutant letal, care n stare homozigot duce la moartea organismului. S-a constatat c prin sacrificarea unei femele gestante, o parte a oarecilor de culoare galben mor n stadiu embrionar. La plante au fost identificate numeroase gene letale care n stare homozigot provoac moartea39

embrionilor, sau plantelor nainte de maturitate. La porumb se cunosc 15 gene diferite care n stare homozigot blocheaz fotosinteza i formarea clorofilei (plante albinotice), incapabile s supravieuiasc. Acelai fenomen a fost semnalat i la Antirrhium majus (fig. 2.7.).

Fig. 2.7. Fenomenul de letalitate de recesivitate, la specia Antirrhium majus (raport de segregare 1:2:1 letal) 2.3.6. Complementaritatea genelor Interaciunea dintre dou sau mai multe gene nealele, prezente mpreun, determin apariia unui

40

alt fenotip, dect fenotipul determinat de fiecare gen n parte. A. Complementaritatea de dominan a fost evideniat de BATESON i PUNNET (1908) la specia Lathyrus odoratus. S-a remarcat c n urma ncrucirii a dou varieti de L. odoratus, cu flori albe, n generaia F1 s-au obinut plante cu flori roii, iar n generaia F2, raportul de segregare a fost 9/16 plante cu flori roii, 7/16 plante cu flori albe. Pentru formarea antocianului este necesar prezena concomitent a dou gene dominante (C i P). Fiecare genitor prezint n stare homozigot o gen dominant i una recesiv (CCpp, respectiv ccPP). n stare dominant ambele gene sunt ntlnite numai n F1 (CcPp) i 9/16 din plantele obinute n F2 (C-P-). Raportul fenotipic de segregare este de 9:7 (fig. 2.8.) B. Complementaritatea de recesivitate, a fost evideniat de SHULL n 1914, la specia Capsella bursa pastoris (traista ciobanului). S-a remarcat c forma capsulei plantei este determinat de interaciunea dintre dou gene nealele. n starea de recesivitate a ambelor gene, apare tipul cu capsul ovoid. Dac una sau ambele gene se afl n stare dominant, apare tipul cu capsul triunghiular. Raportul genotipic de segregare n F2 este de 9/1641

A-B (capsul triunghiular):3/16 aaB (capsul triunghiular):3/16 A-bb (capsul triunghiular):1/16 aabb (capsul ovoid), iar cel fenotipic de 15:1 (fig. 2.9). Aciunea complementar a genelor recesive se explic prin prezena unor gene duplicate, adic a unor gene similare ca aciune, care ns se transmit independent. Planta Capsella bursa pastoris fiind un tetraploid, are dou perechi din fiecare cromozom omolog i ca atare posed gene duplicate, care determin aciunea de complementaritate recesiv.

42

43

Fig. 2.8. Fenomenul de complementaritate de dominan n transmiterea culorii florii la Lathyrus odoratus (raport de segregare fenotipic 9 rou:7 alb)

44

Fig. 2.9. Fenomenul de complementaritate n transmiterea formei capsulei la Capsella45

bursa pastoris (raport de segregare fenotipic 15 triunghiular:1 ovoid) 2.3.7. Interaciunea dintre gene Interaciunea dintre genele nealele poate determina apariia unui fenotip nou. Forma crestei la gini este determinat de interaciunea a dou gene nealele P i R. n funcie de interaciunea lor, forma crestei poate s fie: - pprr creast simpl; - P-rr creast mzrat; - pp-R creast trandafir; - P-R creast nuc. n urma ncrucirii ntre doi indivizi homozigoi, pentru ambele gene, PPrr i ppRR, cu creast mzrat, respectiv trandafir, n F1 se obin numai indivizi cu creasta tip nuc RrPp, iar n F2 se obin cele patru tipuri de creast n raport de 9 nuc:3: trandafir:3 mazre:1 simpl (fig. 2.10.)

46

Fig. 2.10. Fenomenul de interaciune n transmiterea formei crestei la gini (raport de segregare fenotipic 9 nuc: 3 trandafir: 3 mazre:1 simpl) Interaciunile dintre genele nealele intervin i n formarea i transmiterea caracterelor la arbori, numai c, pn n prezent, ele au fost puin studiate din cauza dificultilor metodologice de care s-a amintit.47

2.3.8. Epistazia Epistazia const n mascarea expresiei fenotipice a unei gene numit hipostatic, de ctre o alt gen nealel numit epistatic. Epistazia poate fi de dominan sau de recesivitate, dup cum gena epistatic este dominant sau recesiv. A. Epistazia de dominan. Culoarea glumelor i bobului la ovz este determinat de dou gene: N, epistatic, pentru culoarea neagr i C hipostatic, pentru culoarea cenuie. Prezena genei N, n stare dominant mpiedec manifestarea genei C. ncrucind ovzul slbatic (Avena fatua), NNCC, cu boabe negre, cu ovzul cultivat (A. sativa), nncc, cu boabe galbene, s-au obinut n F1 plante hibride, heterozigote pentru ambele gene NnCc, cu boabe negre. Prin autopolenizarea generaiei F1 s-a obinut n F2 raportul de segregare fenotipic: 12 boabe negre:3 boabe cenuii: 1 boabe galbene (fig. 2.11.). Raportul de segregare geonotipic a fost: 9/16 N-C: 3/16 N-Cc: 3/16 nnCC: 1/16 nncc.

48

Fig. 2.11. Fenomenul de epistazie de dominan n transmiterea culorii glumelor i boabelor la ovz (raport de segregare fenotipic 12 negre: 3 cenuii: 1 galbene) B. Epistazia de dominan i recesivitate a fost evideniat de BATESON i PUNNET, n experienele lor privind transmiterea colorat a penajului la gini. Culoarea penajului este determinat de dou gene nealele. Una dintre gene I epistatic, care determin penajul alb (fie c este n stare homozigot dominant II, sau heterozigot Ii) mascheaz manifestarea celeilalte gene, hipostatic C, care determin penajul colorat. n urma ncrucirii a dou rase de gini cu pene de culoare alb, Leghorn (IICC) i Wyandotte (iicc), n F1, s-au obinut heterozigoi IiCi, cu penaj de culoare alb. Prin ncruciarea indivizilor F149

ntre ei, n F2 s-au obinut indivizi cu penajul alb i colorat n raport de 13:3; cei 3/16 indivizi cu penaj colorat (negru) avnd combinaia C-ii, n care gena C nu mai este represat de gena I, aflat n stare recesiv (fig. 2.12.).

50

Fig. 2.12. Fenomenul de epistazie de dominan i recesivitate n transmiterea culorii penajului la gini (raport de segregare fenotipic: 13 alb: 3 colorat) C. Epistazia de recesivitate. Aciunea unei gene recesive n stare homozigot, gen epistatic, inhib manifestarea altei gene nealele, n stare homozigot sau heterozigot, gena hipostatic. Culoarea blnii la cini este controlat de dou gene: cc (gena epistatic), determin culoarea alb; B (gena hipostatic), care n absena cc, determin culoarea neagr; bb (gen hipostatic), n absena cc, determin culoarea maron. n urma ncrucirii ntre dou rase de cini, una homozigot cu blana alb, BBcc, i alta homozigot cu blana maron, bbCC, se obin n F1 numai indivizi cu blan neagr, BbCc. n F2 se obine raportul de segregare fenotipic: 9 blan neagr: 4 blan alb: 3 blan maron (fig. 2.13.)

51

P F1

BBcc (alb)

BbCc (negr u)

bbCC (maron)

P F1

F2 / BC Bc bC bc

BC BBCC negru BBCc negru BbCC negru BbCc negru

Bc BBCc negru BBcc alb BbCc negru Bbcc alb

bC BbCC negru BbCc negru bbCC maron bbCc maron

bc BcCc negru Bbcc alb bbCc maro n bbcc alb

F2

Fig. 2.13. Fenomenul de epistazie de recesivitate, n transmiterea culorii blnii la cini (raport de segregare 9 blan neagr: 4 blan alb: 3 blan maron 2.3.9.Poligenia (polimeria)52

Mai multe gene nealele, care segreg independent, pot afecta acelai caracter, expresia sa fenotipic depinznd de numrul de gene dominante prezente. NILSSON-EHLE a constat c la gru, n determinarea culorii bobului sunt implicate 2 (3) perechi de gene nealele, notate cu R1, R2, (R3). Culoarea bobului depinde de numrul de gene dominante prezente i numrul de gene nealele (2 sau 3), implicate. Din figura 2.14, rezult c intensitatea culorii boabelor de gru, la indivizi rezultai n F2, este proporional cu numrul de gene n stare dominant prezente n genotipul lor. Indivizii cu 4 gene R (R1R1R2R2) n genotipul lor, vor avea bobul rou nchis, cei cu trei gene R, vor avea bobul rou, cei cu dou gene R, vor avea bobul roietic, cei cu o gen R, vor avea bobul rou pal, iar cei cu ambele gene n stare recesiv (r1r1r2r2), vor avea bobul alb. Raportul de segregare n F1 este de 1:4:6:4:1, formndu-se 5 grupe fenotipice. P R1R1R2R2 bob rou nchis F153

r1r1r2r2 bob alb

P

R1r1R2r

F1

2

bob roietic

F2 /

R1R2

R1r2

r 1R 2

r 1r 2

F2

RrR R1R1R2R2 R1r1R2R 1 1 2 R1R R1R1R2r2 r2 rou 2 rou roieti 2 nchis rou c R1r1r2r R1R1R2r2 R1R1r2r2 R1r1R2r2 2 R1r2 rou roietic roietic rou pal r1r1R2r R1r1R2R2 R1r1R2r2 r1r1R2R2 2 r1R2 rou roietic roietic rou pal R1r1R2r2 R1r1r2r2 r1r1R2r2 r1r1r2r2 r1r2 roietic rou-pal rou pal alb Fig. 2.14. Fenomenul de poligenie (polimerie) n transmiterea culorii cariopsei la gru (raport de segregare fenotipic 1 rou nchis:4 rou:6 roietic:1 alb)

54

2.3.10. Transgresiunea Mai multe gene nealele, determin n generaiile de segregare F2-F5, la o parte din descendeni, depirea expresiei maximale i minimale a unui caracter, fa de gradul de manifestare a acestui caracter la genitori. Prin ncruciarea unor iepuri, cu blan de culoare nchis (M1M1M2M2M3M3m4m4), cu iepuri cu blan de culoare deschis (m1m1m2m2m3m3M4M4), n prima generaie s-au obinut indivizi heterozigoi cu blan de culoare intermediar (M1m1M2m2M3m3M4m4). Din descendena acestora, pe lng indivizi cu diferite nuane ale blnii, apar i iepuri cu blan alb (m1m1m2m2m3m3m4m4), transgresiune negativ (nglobeaz toate genele recesive), precum i iepuri cu blan de culoare neagr (M1M1M2M2M3M3M4M4), transgresiune pozitiv (nglobeaz toate genele dominante). Formele transgresive pozitive pot fi utilizate ca genitori valoroi, n procesul de ameliorare. Excepiile de la tipurile de segregare mendelian prezentate, sunt n fond aparente, deoarece mecanismul separrii factorilor ereditari i al formrii combinaiilor rmne de tip mendelian.

55

Exist ns i abateri reale de la proporiile respective, avnd o alt surs, cum ar fi segregarea preferenial a cromozomilor, nesepararea cromozomilor omologi n meioz, formarea nerandomizat a zigoilor la fecundare. Astfel, repartiia ntmpltoare n meioz a cromozomilor omologi la celulele fiice i formarea gameilor cu cromozomi omologi i gene alele n raport de 1:1 sunt uneori deranjate, producndu-se segregarea preferenial a unor cromozomi. n consecin, n macrosporogenez, la plante, se ntmpl ca un cromozom s se localizeze de preferin n oosfer, iar omologul lui n unul din ceilali nuclei ai sacului embrionar, neparticipnd astfel la formarea zigotului. Aberaii similare pot s apar i la formarea spermaiilor i a polenului i ele afecteaz proporiile n care apar grupele de fenotipuri n descenden. Nondisjuncia cromozomilor n meioz are ca efect la prima diviziune apariia unei celule haploide cu un cromozom suplimentar i a celeilalte celule haploide cu un cromozom n minus celulele sexuale care iau natere vor produce astfel n procesul fecundrii zigoi cu 2n+1 i 2n-1 cromozomi, deci cu alte caractere i cu alt repartiie la descendeni dect n cazul normal. Formarea nerandomizat a zigoilor, adic unirea gameilor n procesul fecundrii nu n mod56

ntmpltor, dup cum se realizeaz de obicei, ci dup anumite preferine condiionate genetic, cum ar fi viabilitatea inegal a celulelor sexuale mascule sau capacitatea de formare i maturizarea inegal a stigmatului. Fecundarea nerandomizat duce, de asemenea, la modificarea raporturilor de segregare mendelian. 2.4. Ereditatea caracterelor calitative i cantitative nsuirile organismelor sunt de o mare diversitate. Ele se pot totui grupa n dou categorii importante: caractere calitative i caractere cantitative. Caracterele calitative sunt trsturi ale unui organism care-l fac s se deosebeasc categoric de un alt organism. Diferenele calitative mpart indivizii n tipuri distincte, fr legturi prin intermediari. Cele mai tipice prezint stri alternative ca : prezena aristelor la gru - lipsa lor, prezena-lipsa coarnelor la animale, prezena - lipsa pigmentului, pigment de o culoare - pigment de alt culoare. n aceast categorie se nscriu i trsturile definitorii la arbori, forma, structura anatomic, nsuirile metabolice caracteristice la frunze, flori, fructe, tulpin .a. Caracterele calitative au un grad57

ridicat de stabilitate i sunt prea puin influenate de factorii de mediu, care nu pot determina dect mici variaii de expresie, structur sau comportament, niciodat fundamentale. La om, un exemplu concludent l ofer grupele sangvine, care depind n exclusivitate de fondul genetic. n analizele genetice, MENDEL, ca i ali cercettori, au exprimat n cercetrile lor, ndeosebi, caractere calitative. Ele sunt determinate adesea de una sau dou perechi de gene (gene majore), iar efectul fluctuaiilor mediului nconjurtor asupra lor, poate fi imperceptibil dup cum s-a mai amintit. Din aceste considerente, n urma ncrucirilor apar fenotipuri distincte, bine conturate, cu dominan complet sau incomplet (gene semidominante), ceea ce determin o variabilitate discontinu. Caracterele cantitative se caracterizeaz prin urmtoarele: se apreciaz cantitativ prin msurare, cntrire, numrare, cronometrare etc., de aceea se mai numesc i caractere metrice; sunt determinate, adesea, de mai multe gene i nu pot fi separate uor i categoric pe clase de fenotipuri. Sunt puternic influenate de condiiile de mediu i prezint o variabilitate continu, adic fenotipuri cu valori cuprinse ntre cele mai mici i cele mai mari valori, ca un ir continuu de fenotipuri. Variabilitatea unor58

asemenea caractere biometriei.

se

studiaz

cu

ajutorul

2.4.1. Caracteristicile ereditii caracterelor cantitative Un exemplu privind ereditatea mendelian a caracterelor cantitave i punerea n eviden a principalelor sale caracteristici o reprezint cercetrile lui EAST (1916) la Nicotiana longiflora. ncrucind ntre ele dou varieti de Nicotiana, una cu corola de 40 mm lungime (P1), iar cealalt cu corola de 93 mm (P2), caractere foarte constante, EAST a obinut n F1 i F2 plante cu lungime intermediar, cu deosebirea c variabilitatea hibrizilor F2 a fost dubl fa de cea a hibrizilor din F1 (fig. 2.15).

Fig. 2.15. Variaia lungimii corolei la dou varieti deNicotiana longiflora i la hibrizii din diferite generaii obinui din ncruciarea acestora59

Autofecundnd plante din F2, deosebite n ceea ce privete lungimea corolei, s-au obinut n F3 familii care n medie au avut aceeai lungime a corolei ca i formele parentale din F2. Mai mult, prin selecia divergent a plantelor din F2 i F3 s-au obinut familii care au avut valori foarte apropiate de valorile tipice prinilor iniiali (P1 i P2). Aplicnd selecia n F4 i F5 s-a reuit s se deplaseze media formelor extreme i mai mult ctre cea a varietilor parentale (P1 i P2). Rezultatele obinute l-au fcut pe EAST s emit urmtoarele postulate: - ncruciarea ntre varieti homozigote va da n F1 populaii avnd aceiai uniformitate ca cea a formelor parentale; - variabilitatea populaiilor din F2, va fi mai mare dect a populaiilor din F1 ; - n cazul cnd populaiile din F2 sunt suficient de mari, pot fi ntlnii indivizi cu valori egale cu ale formelor parentale ; - n unele cazuri unii indivizi din generaia F2 pot chiar depi tipurile parentale, apar deci transgresiuni ; - indivizii situai n diferite puncte ale curbei de frecven a populaiilor F2, vor da n F3 i n generaiile urmtoare familii care se vor deosebi marcant ntre ele.60

Rezultatele obinute de EAST n urma hibridrii celor dou varieti de Nicotiana i postulatele stabilite au dus la concluzia c genele joac un rol foarte important n ereditatea caracterelor cantitative. NILSSON-EHLE (1909) cercetnd ereditatea culorii la boabele de gru a stabilit c aceasta este determinat de trei perechi de gene i anume: R1r1, R2r2, R3r3 din care genele dominante R1, R2 i R3 condiioneaz culoarea roie, iar genele recesive r1, r2 i r3 culoarea alb. Fiecare din cele 3 perechi de gene segreg independent conform legii segregrii independente a perechilor de caractere a lui MENDEL. Astfel, n urma autofecundrii indivizilor R1r1 se obin plante cu boabe roii i cu boabe albe n raport de 3 roii (R1-) : 1 alb (r1r1). n cazul segregrii a dou perechi de gene (R1r1, R2r2) raportul dintre cele dou categorii de plante este de 15 roii : 1 alb, iar n cazul segregrii a trei perechi de gene (R1r1, R2r2, R3r3) raportul de segregare este de 63 roii : 1 alb. Interpretnd rezultatele, NILSSON-EHLE a elaborat teoria genelor polimere potrivit creia exist factori ereditari cu aciune foarte asemntoare, care i nsumeaz efectele, determinnd formarea aceluiai caracter cantitativ. Cu ct numrul factorilor crete, cu att caracterul controlat devine mai expresiv.61

Astfel de gene cu aciune individual redus care particip la formarea aceluiai caracter au fost numite gene polimere (gene multiple, factori multipli). Fiecare gen n parte urmeaz ereditatea de tip mendelian ntocmai ca genele cu efect calitativ. Cnd genele respective se asociaz produc, n urma adiiei efectelor, o variaie cantitativ continu. La arbori, un exemplu ipotetic de determinism polimeric poate fi dat la molid, n ceea ce privete forma solzilor conurilor. Molidul carpatic (Picea abiens var. montana) prezint conuri cu solzi acuminai (ascuii), n timp ce molidul de origine austriac (P. abiens var. europaea) are conuri cu solzi rotunjii la vrf. Este posibil ca formarea solzilor s fie codificat de dou perechi de gene alele A1a1 i A2a2 care, prin ncruciri, n F2 s dea combinaii genotipice de 9 i clase fenotipice n numr de 5 (fig. 2.16 ). Reiese din analiza datelor din tabel c n funcie de cota de participare a alelelor A1a1 i A2a2, vrfurile solzilor variaz de la puternic acuminai n genotipul A1A1A2A2, la evident rotunjit n genotipul a1a1a2a2. n acest caz, ns, nu numai genele A1 i A2 ar fi active ci i alelele a1 i a2 care codific forma rotunjit a conurilor, fr ns ca ntre aceste gene s apar relaii de dominan i recesivitate.62

Fig. 2.16. Ereditatea formei solzilor la conurile de molid - ipotez Teoria genelor polimere a lui NILSSONEHLE a fost confirmat prin cercetrile lui EMERSON i EAST (1913) la porumb, DEVENPORT la om, SHULL (1914) la traista ciobanului i EAST (1916) la tutun.63

Ereditatea caracterelor cantitative a fost fundamentat sub aspect tiinific de ctre MATHER (1949, 1953). Potrivit concepiei sale transmiterea caracterelor se efectueaz prin dou categorii de gene : poligenele minore i obligogenele sau genele majore. Primele controleaz caracterele cantitative iar ultimele caracterele calitative. Poligenele sunt gene cu efect slab, de unde i numele de gene minore. Pe msur ce se acumuleaz ele exercit o aciune puternic n procesul de formare a caracterelor, fiind echivalent cu genele polimere.

CAPITOLUL III Bazele citologice ale ereditii 3. Organizarea celular a matariei vii Celula, ca form superioar de organizare a materiei vii, este unitatea morfologic i funcional de constituire a tuturor organismelor vii, cu excepia virusurilor. Celula posed metabolism individual, ciclu de via i energie proprie, fiind capabil de cretere i autoreproducere independent.64

n raport cu complexitatea structural a celulei i mai ales a nucleului, organismele vii aparin la dou tipuri de organizri: tipul procariot i tipul eucariot. 3.1. Organizarea celular la eucariote Organizarea eucariot, mai complex, este caracteristic algelor verzi, brune i roii, ciuperci, muchi, ferigi, gimnosperme i angiosperme, i organismelor animale. n linii mari, o celul eucariot este alctuit din membran, citoplasm i nucleu (fig. 3.1.) Membrana celular (plasmalema) la plante este protejat, de regul, de un perete celular de natur pectic-celulozic, avnd rol de schelet. La animale, plasmalema reprezint un strat superficial de condensare plasmatic, peretele celular lipsind.

65

Fig. 3.1. Organizarea celular la eucariote Citoplasma, nalt difereniat structural i funcional, este alctuit din : a) citosolul (hialoplasma), reprezint mediul n care sunt incluse celelalte componente putnd s existe n stare de gel, sau de sol. b) sistemul de membrane sau reticolul endoplasmetic, poate fi neted (alfa), sau rugos (beta). Cel neted este reprezentat printr-o reea de tubuoare i vezicole la nivelul crora se sintetizeaz n principal hormoni. Sistemul endoplasmatic rugos are pe suprafaa sa formaiuni granulare ribozomale, constituind ergastoplasma, activ n sinteza proteinelor de secreie.66

Organitele celulare sunt formaiuni intracelulare, unele prezente n toate celulele (mitocondriile, aparatul Golgi, lizozomii, ribozomii), altele prezente numai n celulele vegetale (plastidele), cu rol n procesele metabolice specifice. Ribozomii sau granulele lui Palade sunt constituite din ARN-ribozomal i proteine, cu rol important n sinteza proteic. Au o structur constant, sub form sferic sau elipsoidal. Ribozomii pot exista n citoplasm, sau ataai de reticolul endoplasmatic. Ei se pot cupla cu ARN-m n procesul de biosintez formnd polizomii. b) Mitocondriile sunt structuri mici, independente, considerate centrele energetice ale celulei. La nivelul lor a fost pus n eviden ADN, cu rol n ereditatea extracelular. ADN-ul mitocondrial este dublu eliciodal circular i reprezint mai puin de 1% din ADN-ul celular. Mitocondriile sunt capabile de autoreplicare, de cretere, de stocare i transmitere a informaiei genetice specifice, comportndu-se ca nite organitea) 67

semiautonome, cu continuitate citologic i genetic. c) Plastidele sunt organite citoplasmatice proprii celulei vegetale, cu rol esenial n procesul de sintez i stocare a substanelor organice. Conin toate elementele unui sistem genetic (ADN i ARN), avnd astfel rol ereditar. d) Aparatul Golgi este o reea perinuclear, alctuit din formaiuni numite dictiozomi, cu rol n procesul de maturare proteic, n transportul i depozitarea substanelor elaborate. e) Centrozomul, depistat n celula animal i vegetal, este format din doi centrioli i centrosferi i are rol n formarea fusului de diviziune. Fiind purttor de ADN, are rol ereditar. f) Lizozomii sunt corpusculi de form ovoid, ce conin enzime digestive fiind responsabili de digestia intracelular. Beneficiaz de enzime hidrolitice (proteoz, ribonucleoz, fosfataz .a.) i sunt specifice celulei animale. Formaiuni cu funcii asemntoare au fost semnalate i la plante (peroxizomi, sferozomi i glioxizomi).68

Nucleul sau carionul este partea cea mai reprezentativ a celulei sub aspect genetic, reprezentnd 1/4-1/3 din volumul total al celulei. Nucleul ca entitate morfologic, este alctuit din membran nuclear, cariolimf, nucleol, cromocentrul i cromatin (cromozomi). a) Membrana nuclear se evideniaz n interfaz. Este format din dou membrane lipoproteice, prevzute cu pori prin care se realizeaz schimburile dintre cariolimf i citoplasm. Membrana exterioar se racordeaz cu reticolul endoplasmatic, prin care realizeaz legtura ntre membrana nuclear i cea celular. Are rol important n organizarea i funcionarea cromozomilor, precum i n procesul de replicare i transcriere de ADN. b) Cariolimfa, nucleoplasma sau matrixul nuclear, este mediul n care sunt incluse formaiunile nucleare, putnd exista n stare de gel sau sol. c) Nucleolul, este prezent n nucleu ca un corp sferic, vizibil n interfaz i profaz ataat la unii cromozomi n zona strangulaiei secundare. Numrul nucleolilor este caracteristic fiecrei specii. d) Cromatina reprezint starea n care se gsete materialul cromozomal n interfaz69

sub forma fibrei elementare de cromatin. Prin condensarea fibrei elementare de cromatin, n cursul diviziunii celulare se pot evidenia cromozomii. 3.1.1. Cromozomii la organismele eucariote Principalii purttori ai informaiei genetice la eucariote sunt cromozomii prezeni n nucleul celular. Acetia sunt constituii din cromatin, ce conin aproximativ 60% proteine, 35% acid dezoxiribonucleic (ADN) i 5% acid ribonucleic (ARN). Dup funciile lor, cromozomii sunt de dou tipuri: autozomi, ce se regsesc n celulele somatice i variaz ca numr de la o specie la alta i heterozomi, sau cromozomi ai sexului. Celulele somatice conin dou seturi de autozomi i doi heterozomi XX sau XY, iar celulele sexuale conin un set de autozomi i un heterozom. 3.1.1.1. eucariote Sub aspect morfologic, cromozomul eucariot prezint urmtoarele formaiuni: cromatidele surori, centromerul, constricia secundar, telomerii, satelitul i knobul.70

Morfologia

cromozomului

la

Cromatidele surori sunt dou uniti structurale identice genetic, unite la nivelul centromerului. Centromerul (strangulaia sau constricia primar) este zona cu care cromozomul se fixeaz de fibrele fusului de diviziune celular. El mparte cromozomul n dou brae scurt, sau proximal (p) i braul lung, sau distal (q) (fig. 3.2). n raport cu poziia centromerului, distingem urmtoarele tipuri morfologice de cromozomi: - telocentrici, cu poziia centromerului terminal; - acrocentrici, poziia centromerului fiind subterminal ; - submetacentrici, cu poziia centromerului submedian ; - metacentrici, poziia centromerului fiind median. Strangulaia sau constricia secundar este asemntoare centrome-rului, ns la nivelul ei cromatidele nu se unesc. Zona se mai numete i organizator nucleolar, la acest nivel fiind ataat de obicei nucleolul. Telomerii sunt formaiuni terminale ale cromozomilor ce le confer stabilitate. n lipsa acestora apar restructurri cromozomale i modificarea morfologic.71

Satelitul sau trabantul este o formaiune facultativ, separat de restul cromozomului prin strangulaia secundar. De regul este dispus pe braul proximal (scurt) al cromozomului. Knobul este o formaiune terminal sau subterminal heterocromatic, dispus pe anumii cromozomi, cu valoare de marker citologic (fig. 3.3.).

Fig. 3.2. Morfologia general a cromozomului

72

Fig. 3.3. Morfologia cromozomului eucariot 3.1.1.2. Structura cromozomului eucariot Elementul structural de baz al cromozomului este nucleosomul. La microscopul electronic, nucleosomii apar ca un irag de perle, fiecare fiind alctuit dintr-un miez histonic pe care se nfoar dou spire de ADN. ntre doi nucleosomi exist elemente de legtur constituite din segmente scurte de ADN asociate cu o component histonic73

H1 (fig. 3.4). Succesiunea mai multor nucleosomi determin formarea fibrei simple de cromatin, care la rndul ei se spiraleaz sub form de selenoid i formeaz fibra elementar de cromatin, care constituie elementul de baz a cromozomului. n interfaz cromozomii se gsesc sub aceast form elementar de cromatin.

74

Fig. 3.4. Formarea fibrei simple i a fibrei elementare de cromatin 3.1.1.2. Compoziia chimic a cromozomului eucariot Cromozomii sunt alctuii din cromatin, substan fundamental ce conine acizi nucleici i proteine, lipide i poliglucide, ioni de calciu i magneziu. ADN-ul nuclear reprezint aproximativ 95% din totalitatea ADN-ului celular, i rspunde de stocarea informaiei genetice i continuitatea ei de la o generaie la alta. Cantitatea constant de ADN din fiecare cromozom este supus unei variaiuni ciclice, determinat de separarea cromatidelor n cadrul ciclului celular. ADN-ul din care este constituit cromatina poate fi de dou feluri : ADN75

cu coresponden de codare i fr corespondent de codare. - ADN-ul cu coresponden de codare este activ n procesul de transcripie, putnd fi de dou feluri : a) ADN nerepetitiv (unic) care conine gene active n procesul de sintez a proteinelor celulare, ce poart mesajul genetic necesar transcrierii ARN-m ; b) ADN repetitiv, corespunde genelor ce poart mesajul genetic transcrierii ARN-r, ARN-t i ARN-m necesar biosintezei histomelor. - AND-ul fr coresponden de codare, inactiv n procesul de transcripie este nalt repetitiv, fiind sub dou forme: a) ADN spaiator, dispus ntre secvenele unice; b) AND satelit cu localizare telomeric, sau n vecintatea centromerului i a satelitului. ARN-ul cromozomal se gsete n cantitate diferit n celulele diferitelor organe, reprezentnd cca. 10% comparativ cu ADN. Proteinele se prezint sub forma de nucleoproteine i sunt: histon i nonhiston. Histonele sau proteinele bazice sunt omogene, cu rol de reglare nespecific al activitii genelor i rol structural. Nonhistonele sunt foarte heterogene,76

cu rol enzimatic, structural i reglator specific a activitii genelor. 3.1.1.3. eucariote Alturi de elementele morfologice, caracteristicile cromozomilor sunt exprimate prin numrul, forma i mrimea acestora. Numrul, forma i mrimea cromozomilor dintr-o celul somatic constituie cariotipul unui individ sau a unei specii. Acesta reprezint un criteriu de identificare a speciilor. Numrul cromozomilor oscileaz de la o specie la alta i este relativ stabil pentru indivizii aparinnd unei entiti taxonomice. n celulele somatice cromozomii sunt dispui n perechi, unul de origine matern i unul de origine patern (cromozomi omologi), avnd aceiai form, aceiai mrime i aceiai valoare genetic, alctuind garnitura diploid, notat cu 2n. n celulele sexuale, sau gamei, exist un singur set de cromozomi, adic cte un cromozom din fiecare pereche, numrul lor fiind redus la jumtate. Aceasta este starea haploid i se noteaz cu n. La monocotiledonate numrul de cromozomi este cuprins ntre 2n=4 i 2n=300, iar la77

Caracteristicile

cariotipului

la

dicotiledonate ntre 2n=6 i 2n=226 (DARLINGTON i WHYLIE, 1995). La arbori n celulele somatice numrul cromozomilor (2n) este cuprins ntre 12 i 14 (la genurile Cercis, alnus, Laurus .a. i 62-82 la genurile Ailanthus, Tilia etc. majoritatea speciilor forestiere de interes, de la noi molidul, bradul, laricele, pinul, fagul, stejarul, castanul .a. au 24 de cromozomi. Forma cromozomilor se stabilete n metafaza diviziunii mitotice, cnd cromozomii ating maximum de contracie, n funcie de poziia centromerului. n anafaz, ca urmare a ndoirii braelor cromozomale la nivelul centromerului, pot s apar configuraii n forma literei V, L sau I. Mrimea cromozomilor difer de la o specie la alta. Lungimea lor variaz ntre 2 i 220 microni, iar grosimea ntre 0,2 i 2 microni. Datorit caracteristicilor morfologice, fiecare cromozom poate fi identificat n celulele indivizilor. Cu toate modificrile care apar pe parcursul diviziunilor celulare, cromozomii apar n acelai numr, cu aceiai form i mrime, ceea ce permite individualizarea i recunoaterea lor n cadrul complexului cromozomal. 3.2. Reproducerea celular78

Substratul material al ereditii se caracterizeaz prin continuitate. Aceast proprietate se realizeaz la nivel celular i se asigur prin reproducerea sa cu fidelitate, transmindu-se odat cu diviziunea, de la o celul la alta i n procesul reproducerii, de la o generaie la alta. 3.2.1. Ciclul celular mitotic i semnificaia sa genetic Ciclul celular mitotic se desfoar n celulele somatice i poate fi definit ca fiind diviziunea celular n urma creia plecnd de la o celul mam cu un anumit numr de cromozomi, rezult dou celule fiice cu acelai numr de cromozomi ca i celula mam, identice genetic ntre ele, identice i cu celula mam de la care provine. n cadrul ciclului mitotic se disting dou etape : diviziunea nucleului sau cariochineza i diviziunea citoplasmei sau citochineza (fig. 3.5.)

79

Fig. 3.4. Ciclul celular mitotic: 1,2,3-profaza; 4-metafaza; 5 nceputul i 6-sfritul anafazei, 7,8-telofaza; 9-citochineza; c.p.-calote polare; m.n.-membran nuclear; z.c.zona clar; chr-cromocentre; ph-fragmoplast; p.c.-plac celular80

Chariochineza. Procesele prin care trece materialul genetic din nucleu n cariochinez se regsete n interfaz i mitoza propriu-zis. Interfaza sau interchineza, este faza dintre dou mitoze succesive. La microscop se observ nucleul conturat de membrana nuclear, cromozomii fiind prezeni sub forma fibrei elementare de cromatin i nu pot fi individualizai. n cadrul nucleului pot fi vzui unul sau mai muli nucleoli. n funcie de momentul sintezei ADN-ului, interfaza se mparte n trei etape : G1, S i G2. Faza G1 sau prereplicativ se caracterizeaz prin sinteza proteinelor i a ARN-ului. Cromozomii sunt monocromatidici. Faza S (de sintez sau replicativ) este caracterizat de sinteza ADN-ului, concomitent cu a proteinelor histonice, astfel c fiecare cromozom devine bicromatidic, cele dou cromatide surori fiind identice. Faza G2 (postreplicativ) este perioada de postsintez n care are loc maturarea nucleului i pregtirea sa pentru diviziunea propriu-zis. Mitoza sau mitoza propriu-zis, cuprinde patru faze : profaza, metafaza, anafaza i telofaza. Profaza este marcat de apariia n cadrul nucleului a cromozomilor sub forma unor fibre81

subiri i lungi. n profaz dispar nucleoli, se dezorganizeaz membrana nuclear i se constituie fusul de diviziune. Metafaza. Cromozomii ajuni la condensarea maxim se ataeaz cu ajutorul centromerului de fibrele fusului de diviziune i se aliniaz la centrul celular formnd placa metafazic sau ecuatorial. n metafaz se pot determina numrul, forma i mrimea cromozomilor, elemente ce definesc cariotipul unei specii. Anafaza se caracterizeaz prin clivarea longitudinal a cromozomilor, dup ce n prealabil s-a produs clivarea centromerilor. Cromozomii monocromatici se deplaseaz cu centromerul nainte, spre polii celulei. n anafaz se asigur repartizarea aceleai informaii genetice la celulele fiice, avnd n vedere c cele dou cromatide surori sunt identice. Telofaza este un proces invers profazei. n cursul telofazei fibrele fusului de diviziune dispar, iar cromozomii monocromatici ajuni la cei doi poli se despiraleaz, se subiaz i iau aspectul unui ghem (spirem). Are loc procesul de reconstituire a membranei nucleare i a nucleotidelor.82

Citochineza. n esuturile somatice, n condiii normale, cariochineza este urmat de diviziunea citoplasmei. n celula vegetal, cu perete celular rigid, diviziunea citoplasmatic are loc la apariia la centrul celulei a unui corpuscul plasmatic denumit fragmoplast, de forma unui inel care treptat i umple lumenul cu substane celulozo-pectice, care se transform n perete celular. La animale citochineza const n apariia unei strangulaii n zona ecuatorial a celulei, care asigur separarea celulelor fiice. Distribuia tuturor componentelor protoplasmatice este foarte precis i exact, realizat sub control genetic, fapt ce determin formarea a dou celule fiice cu aceiai alctuire structural i constituie genetic. Semnificaia esenial a diviziunii celulare mitotice const n aceea c ea asigur continuitatea genetic de-a lungul generaiilor celulare succesive. Ciclul celular, prin sporirea numrului de celule i procesele de biosintez ce le implic, asigur creterea organismului, asigurndu-se continuitatea genetic n ontogenez, de la o celul la alta, prin copierea mesajului genetic n interfaz i repartizarea acestui mesaj n condiii riguros exacte celulelor fiice prin mecanismul mitozei, n anafaz. n consecin, n privina informaiei83

genetice nucleare, toate celulele sunt identice. Prin desfurarea mitozei se asigur constana numeric morfologic i structural a cromozomilor. 3.2.2. Ciclul celular meiotic i semnificaia sa genetic Ciclul celular meiotic, sau diviziunea meiotic este un tip particular de diviziune celular, caracteristic organismelor ce se nmulesc pe cale sexuat i n urma cruia dintr-o celul somatic cu 2n cromozomi se formeaz 4 celule fiice cu n cromozomi, diferite genetic ntre ele, diferite i de celula mam de la care provin. Diviziunea meiotic se desfoar n celule germinale, localizate n organele de reproducere i implic dou diviziuni succesive, meioza I i meioza II, interfaza fiind prezent o singur dat, la nceputul ciclului celular, avnd ca finalitate formarea gameilor (fig. 3.6.) Meioza I (primar sau reducional). n aceast faz are loc reducerea la jumtate a numrului de cromozomi i fenomenul de recombinare genetic. Diviziunea meiotic are aceleai faze ca i cea mitotic, att pentru metafaza I i II, ns profaza este mai complex. Profaza I-a. n aceast faz cromozomii parcurg o serie de procese ce se realizeaz n84

urmtoarele subfaze: leptonem, zigonem, pachinem, diplonem i diachinez. n leptonem nucleul se mrete n volum, cromozomii apar sub forma unor filamente subiri, n lungul crora ncep s se contureze cromozomii. n zigonem cromozomii omologi, unul de provenien matern i altul de provenien patern, se altur i se unesc doi cte doi, formnd cromozomi bivaleni. Fenomenul de conjugare a cromozomilor se numete sinaps. mperecherea cromozomilor omologi este controlat genetic, realiazndu-se strict gen alel la gen alel i se caracterizeaz prin formarea complexului sinaptomenal, care permite realizarea recombinrii genetice prin crossing-over. Pachinemul, se caracterizeaz prin condensarea cromozomilor, legatura dintre ei devine din ce n ce mai intim, devenind posibile fenomenele de recombinare prin crossing-over. Diplomenul se caracterizeaz prin faptul c la fiecare bivalent se pot observa 4 cromatide, datorit tendinei omologilor de a se separa, rmnnd unii ns la nivelul chiasmelor. Aceast configuraie poart denumirea de tetrad cromatidic.85

Diachineza este reprezentat de condensarea i scurtarea puternic a cromozomilor. Spaiile dintre chiasme se mresc, chiasmele fiind deplasate spre extremitile cromozomilor, fenomen denumit terminalizare. La sfritul profazei I nucleolul i membrana nuclear dispar, formndu-se fusul nuclear, pe care se ataeaz configuraiile cromozomale bivalente. Metafaza I. Cromozomii bivaleni se aeaz pe fibrele fusului de diviziune, orientai cu centromerii spre polii opui, formnd placa ecuatorial. n metafaz sunt vizibile inc chiasmele care leag cromozomii fiecrei perechi. Anafaza I. Legtura dintre cromozomii omologi se diminueaz, bivalenii se separ n cromozomi bicromatici, ce migreaz spre polii celulei. n anafaza I are loc reducerea numrului de cromozomi i recombinarea genetic intracromozomial, datorit segregrii libere a perechilor de cromozomi. Telofaza I. Cromozomii, n numr haploid, se grupeaz n cei doi nuclei, se formeaz membrana nuclear, se reorganizeaz nucleolii i apar dou celule haploide (o diad). Cu aceasta se ncheie prima diviziune meiotic. Nucleii nou formai intr ntr-un stadiu numit interchinez. n urma meiozei I, uneori citoplasma86

se divide, alteori nu. n acest ultim caz rezult celule binucleate, numite diade. Meioza II (mitoz haploid) este asemntoare unei mitoze. Ea se petrece n celule cu numr haploid de cromozomi. Profaza II. n nucleul normal constituit, cromozomii se condenseaz i se individualizeaz. La sfritul profazei II are loc dezintegrarea membranei nucleare i formarea fusului de diviziune. Metafaza II. Cromozomii se deplaseaz spre centrul celulei, unde se fixeaz cu centromerul de fusul de diviziune, formnd placa metafazic (ecuatorial). Aspectul cromozomilor este de forma literei X, configuraie determinat de prezena unui singur centromer pentru cele dou cromatide, iar braele lor se resping. Centromerul fiecrui cromozom, care a inut unite cromatidele surori, se dubleaz structural i funcional. Anafaza II. Are loc separarea centromerilor i a cromozomilor n cromatide, care devin cromozomi independeni ce migreaz spre poli. Telofaza II. Se formeaz patru nuclei cu numr haploid de cromozomi monocromatidici. Membrana nuclear se reface n jurul fiecrui grup de cromozomi haploizi i are loc apoi citokineza.87

Fig. 3.6. Ciclul celular meiotic la Aloe thraskii 1-5-profaza heterotipic:1-leptoten, 2-zigoten, 3pachitem, 4-diploten, 5-diachinez 6-metafaza heterotipic; 7- anafaza; 8-telofaza; 9interchinez; 10-metafaza homeotipic; 11-anafaza; 12-teleofaza

88

Formaiunea format din patru celule haploide ce ia natere la sfritul meiozei II se numete tetrad celular. Astfel, dintr-o celul diploid cu 2n cromozomi, n urma celor dou diviziuni ale meiozei, rezult patru celule fiice haploide, cu n cromozomi. Fiecare din cele patru celule formate, conin combinaii diferite de gene, asigurndu-se astfel variabilitatea genetic. * * * Ciclul celular mitotic este, de fapt, un ciclu nchis n sensul c celulele rezultate n urma meiozei nu mai reiau ciclul ntruct, la animale, acestea nu se mai divid urmnd a funciona ca i gamei n procesul de fecundare, iar la plante sufer un numr limitat de diviziuni mitotice haploide n procesul de formarea gameilor. Ciclul celular mitotic contribuie la realizarea a dou funcii biologice majore: diversitatea lumii vii prin asigurarea variabilitii genetice a gameilor i continuitatea genetic de la o generaie la alta n procesul de fecundare, asigurnd constana numrului de cromozomi a descendenelor.89

Variabilitatea genetic a gameilor se asigur n cadrul proceselor de recombinare intracromozomal prin crossing-over n profaza meiozei I i intercromozomal la nivelul setului haploid de cromozomi prin segregarea independent a perechilor de cromozomi omologi n anafaza meiozei I (fig. 3.7.).

Fig. 3.7. Reprezentarea schematic a consecinelor fenomenului de crossing-over: T = cromozom patern; M = cromozom matern 3.2.3. Ciclul de via i recombinarea genetic la plantele superioare; semnificaia biologic i genetic

90

Prin ciclul de via se asigur continuitatea genetic de la o generaie la alta n filogenez i cuprinde alternarea unor generaii celulare haploide, n procesul de formare a gameilor (gametogeneza), cu a unor generaii celulare diploide, datorit fecundrii. Gradul de reprezentare a celor dou generaii celulare, haploid i diploid, difer la plante i animale. La plante, gradul de reprezentare a nivelului haploid i diploid difer n raport de poziia ocupat pe scara evolutiv. n urma meiozei rezult celule haploide, care nu reprezint gamei ca i n cazul animalelor ci spori din care n urma mitozei haploide succesive va rezulta gametofitul (generaia haploid), formaiune ce va da natere gameilor. Gameii n urma procesului de fecundare vor da natere zigotului diploid i apoi prin diviziuni mitotice succesive se va forma sporofitul (generaia diploid), care n urma meiozei va produce din nou celule haploide (spori), ncheindu-se astfel ciclul de via. Diviziunea reducional (meioza), se produce att la animale, n spermatogenez i ovogenez, ct i la plante, n microsporogenez i macrosporogenez.

91

n spermatogenez (meioza, la animale mascule), toate cele patru celule rezultate sunt de regul, funcionale, reprezentnd spermatozoizii. n ovogenez (meioza, la animale femele), doar una dintre cele patru celule este funcional ovulul gametul femel. Gametogeneza la plantele superioare cuprinde microgametogeneza, sau procesul de formare a gameilor masculi i mega sau macrosporogeneza, adic procesul de formare a gameilor femeli (fig. 3.8)

92

Fig. 3.8. Microsporogeneza (b) i megasporogeneza (a) (dup E.A. WHINCHESTER, 1961, modificat de A. MNTZIG, 1967) n microsporogenez (meioza la plante, n cazul grunciorilor de polen) din fiecare celul haploid a tetradei se formeaz cte un gruncior de polen (fig. 3.8.). Acesta, n timpul germinrii, sufer dou diviziuni mitotice succesive, n urma crora rezult un nucleu generativ i unul vegetativ. Nucleul vegetativ se resoarbe, iar nucleul generativ haploid trece printr-o nou diviziune mitotic, dnd natere la doi nuclei spermatici, care reprezint gameii masculi. n macrosporogenez (meioz, n cazul gameilor femeli), numai una dintre cele patru celule ale tetradei este funcional, devenind sacul embrionar. Nucleul haploid al sacului embrionar93

parcurge trei diviziuni mitotoce succesive n urma crora rezult opt nuclei. Unul dintre aceti nuclei haploizi ai sacului embrionar devine nucleul oosferei (gametul femel la plante), doi se contopesc dnd nucleul secundar diploid al sacului embrionar, trei formeaz nucleii antipodelor i doi devin nucleii sinergidelor. n urma procesului de fecundare se realizeaz fuziunea celor dou celule sexuale, mascul i femel. Sub aspect genetic, semnificaia fecundrii este primordial, deoarece prilejuiete ntlnirea i regruparea cromozomilor omologi din gamei, unul de provenien matern, cellalt de provenien patern. Celula, dispune astfel de 2n cromozomi fiind diploid, fa de gameii care sunt haploizi cu n cromozomi. Unirea gameilor la fecundare se produce n mod ntmpltor, nedirijat, ceea ce constituie o surs primordial de variabilitate genetic. Astfel, n cazul combinrii a n gene, fiecare fiind reprezentat prin cte a alele, numrul de genotipuri (g) ce vor rezulta, sunt: a (a + 1) g = 2 n

Din exemplul dat, dac se iau n calcul numai 10 gene, fiecare cu cte 2, 3 sau 4 alele, numrul de combinaii este de 310, respectiv 610 i 1010 etc.94

n cazul plantelor superioare, Angiosperme, se produce dubla fecundare, din contopirea oosferei cu gametul mascul, rezultnd oul sau zigotul, iar din unirea nucleului secundar cu al doilea gamet se formeaz zigotul accesoriu (fig. 3.9.). Dac zigotul este diploid, zigotul accesoriu are trei seturi de cromozomi, fiind tetraploid, deoarece rezult din fuziunea nucleului secundar diploid cu gametul mascul haploid. Faptul c n setul triploid (3n) cromozomi, un numr de 2n cromozomi provin de la printele matern i numai n cromozomi de la cel patern are consecine n producerea unor fenomene genetice, de tipul ereditii citoplasmatice.

95

Fig. 3.9. Fazele fecundrii la Angiosperme Din zigot, prin diviziuni celulare succesive mitotice, ia natere embrionul, iar din zigotul accesoriu, se formeaz endospermul secundar i albumenul. n cazul Gymnospermelor fecundarea este simpl, un singur gamet contopindu-se cu oosfera (fig. 3.10.)

96

Fig. 3.10. Fecundarea la Pinus Endospermul primar al gimnospermelor, dei ndeplinete aceleai funciuni ca i la angiosperme, are origine diferit, lund natere dintr-o celul a nucelei aflat n apropierea micropilului i fiind haploid (n cromozomi). n esen, diferenierea timpurie a esuturilor embrionului, ca i diferenierea postembrionar care urmeaz, att la angiosperme ct i la gimnosperme, are ca surs primordial informaia genetic din structurile ADN ale celulei-ou n care sunt memorizate de la nceput toate caracterele organismului. CAPITOLUL IV Teoria cromozomal a ereditii 4. Noiuni introductive Pentru genetic, studiul celulei i a diviziunii celulare prezint o mare importan deoarece face posibil identificarea materialului genetic, a mecanismului prin care genele se transmit de la celula mam la celulele fiice, de la ascendeni la97

descendeni, a modului cum se realizeaz recombinarea genetic i cum se produc mutaiile la nivel genetic, precum i restructurrile la nivelul cromozomilor. Teoria celular elaborat de SCHLEIDEN i SCHWANN (1838) i completat de WIRCHOW (1855), au demonstrat c organismele au o alctuire celular sau pluricelular i c celulele provin exclusiv din alte celule. Dup elaborarea teroriei celulare, studiul celulei a luat un avnt deosebit spre sfritul secolului al 19-lea i nceputul secolului al 20-lea, permindu-i lui MORGAN s sintetizeze cunotinele acumulate ntr-o teorie cromozomial a ereditii, completat i cu rezultatele experimentale proprii. Legile ereditii elaborate de MORGAN, explic transmiterea ereditar a caracterelor determinate de gene plasate pe perechi diferite de cromozomi. Teoria cromozomial a ereditii are patru principii de baz: plasarea liniar a genelor pe cromozomi; fenomenul de linkage, sau transmiterea genelor plasate pe aceeai pereche de cromozomi; fenomenul de crossing-over sau schimbul reciproc de gene ntre cromozomii pereche;98

numrul limitat a grupelor de nlnuire a genelor. Cercetrile lui MORGAN i colaboratorii si, au fost efectuate n special asupra musculiei de oet (Drosophila melanogaster). Aceasta se nmulete foarte repede, o generaie putnd fi obinut, la o temperatur de 20C n numai 12 zile. Acest lucru, a permis ca pe parcursul unui an s se poat studia un numr mare de generaii succesive. Fiecare femel produce cteva sute de descendeni. Numrul de cromozomi somatici la D. melanogaster este mic (2n=8), putnd fi uor identificai la microscop, datorit deosebirilor lor morfologice. Studiind cteva sute de mii de indivizi timp de mai muli ani, T.H. MORGAN i colab. au reuit s identifice peste 500 de mutaii care afectau toate organele insectei. Aceste mutaii au servit ca material de studiu transmiterii ereditare a caracterelor la descendeni i respectiv a mecanismului cromozomial al ereditii. Prin ncruciarea mutantelor ntre ele sau cu tipul normal, denumit i slbatic s-a studiat modul de transmitere ereditar a diferitelor gene n cursul generaiilor succesive. Aceste rezultate corelate cu cercetrile citologice ale materialului respectiv, au dus la elaborarea principiilor menionate la nceputul capitolului.99

4.1. Plasarea liniar a genelor pe cromozomi Prima tez a teoriei cromozomiale a ereditii consider c factorii ereditari (genele) sunt plasai pe cromozom n anumite poziii precise, denumite loci (locus). De obicei, genele se prezint sub form de perechi alele ce determin dezvoltarea unor caractere contrastante, din care una este dominant i cealalt recesiv. T.H. MORGAN a constat c genele pot suferi mutaii transformndu-se n gene alele. Prin mutaie, gena dominant A ce determin tipul normal (slbatic) se poate transforma n gena alel recesiv a. Ca urmare, genele se gsesc de regul sub form de pereche (alele). Genele se noteaz cu primele 1-4 litere ce desemneaz prescurtat caracterul afectat de gena respectiv (n limba englez sau latin). De exemplu, gena mutant recesiv ce determin ochi de culoare alb la musculia de oet se noteaz cu w (de la engl. white = alb), iar gena alel ce determin tipul normal cu ochi roii, cu aceeai liter avnd indicele + (w+). Gena ce determin corpul de culoare galben se noteaz cu y (de la engl. yellow = galben), iar alela sa ce determin corpul normal gri, cu y+. Din cele de mai sus se confirm ideea c genele alele sunt situate n aceiai pereche de cromozomi, n loci omologi, i influeneaz aceiai nsuire a100

organismului, determinnd apariia unor caractere contrastante (tabelul 4.1).

Tabelul 4.1. Caracterul 1 Culorae ochilor Culoarea corpului Forma aripilor Genele alele w+ ochi de culoare roie w ochi de culoare alb y+ corp de culoare gri y corp de culoare galben vg+ aripi normale vg aripi vertigiale

2 3

ncrucind indivizi normali cu diverse mutante sau diferite mutante ntre ele, MORGAN constat c transmiterea multor caractere se abate de la cea de-a a doua lege a lui MENDEL. Admind c diferitele caractere ale organismului sunt determinate de genele plasate pe cromozomi, MORGAN i d seama c numrul genelor este mult mai mare dect numrul cromozomilor unui101

organism. De aici concluzia c mai multe gene sunt plasate n acelai cromozom, ntr-o succesiune liniar, n anumii loci. MORGAN, analiznd un mare numr de indivizi de D. melanogaster, femeli i masculi, insect ce are un numr de 8 cromozomi, constat c femelele au o pereche de cromozomi omologi (XX), iar masculii un cromozom X de form linear i un cromozom neomolog, Y de forma unui bastona frnt. Aadar, prezena cromozomilor XY determin sexul mascul, iar prezena perechii XX determin sexul femel. Aceti cromozomi au fost denumii cromozomi ai sexului, heterozomi sau gonozomi, spre deosebire de restul cromozomilor somatici, denumii autozomi. Aceast descoperire constituie un argument n favoarea ideii plasrii genelor pe cromozomi, ntruct s-a pus n eviden c o anumit structur cromozomic este corelat cu un caracter important, i anume sexul. 4.2. Fenomenul de nlnuire a genelor (linkage) Studiul celor peste 500 de mutante de D. melanogaster au dus la constatarea nu numai c genele trebuie s fie plasate n cromozomi, dar innd seama de numrul mare al genelor i102

numrul redus al cromozomilor, mai multe gene trebuie s fie plasate n acelai cromozom. S-a ajuns la concluzia c pe fiecare cromozom exist un numr mare de gene i c ele se transmit mpreun, nlnuite la descendeni, manifestnd fenomenul de linkage. La Drosophila melanogaster experienele fcute de MORGAN au artat c transmiterea caracterelor nu se face conform tipurilor de segregare cunoscute, fapt consemnat nc din 1905 de BATESON i PUNETT. Cei doi, au constatat c prin ncruciarea a dou varieti de Latyrus odoratus, unul cu flori purpurii i grunciori de polen alungii, cellalt cu flori roii i grunciori de polen rotunzi, dac n prima generaie s-au obinut hibrizi cu flori purpurii i polen alungit, conform tezei dominanei al lui MENDEL, n generaia a doua (F2) s-au realizat raporturi de segregare diferite de cele mendeliene. Excedentul de flori purpurii i polen alungit, ca i de flori roii i polen rotund, care s-au nregistrat fa de raportul de segregare 9:3:3:1 a fost pus pe seama tendinei caracterelor respective de a se transmite mpreun, fenomen denumit de BATESON i PUNETT, cuplajul gameilor. La Drosophila, ncrucindu-se un individ mutant pentru dou caractere (corp negru i aripi vertigiale) cu un individ normal slbatic (corp103

cenuiu i aripi normale = caractere dominante), n F1 s-au obinut numai musculie cu fenotip slbatic corp gri i aripi normale (fig. 4.1.), din heterozigoi normali.

104

Fig. 4.1. Ereditatea la dou gene nlnuite la Drosophila Acetia, masculii () se ncrucieaz cu indivizi dublu mutani homozigoi (femele ) realizndu-se aa numita retroncruciare sau backcross. n F3 reapar tipurile genitoare n raport de 1:1 datorit faptului c genele respective fiind plasate pe acelai cromozom, se transmit nlnuite (linkage). Constatnd c fenomenul se repet i n cazul altor mutante, MORGAN consider c faptul se datoreaz plasrii celor dou gene (corp gri i aripi normale) pe acelai cromozom i transmiterea lor se face nlnuit, fenomen pe care l-a numit linkage. Conform celei de a doua legi mendeliene, n F2 trebuia s se realizeze o segregare independent a caracterelor i s apar urmtoarele tipuri de indivizi: (1) aripi normale i corp gri, (2) aripi normale i corp negru, (3) aripi vertigiale i corp gri i (4) aripi vertigiale i corp negru. n realitate, n urma ncrucirii respective, s-au obinut numai dou tipuri de indivizi - cu aripi normale, corp gri i cu aripi vertigiale i corp negru -, identici cu formele parentale. ntruct numrul genelor este mult mai mare dect numrul cromozomilor i implicit unele105

dintre gene fiind localizate pe acelai cromozom, este normal ca acestea s nu se supun legii liberei combinri a genelor, ci s aib tendina de a se transmite la descendeni mpreun, odat cu cromozomul respectiv. Genele ale cror locui sunt situai n cromozomi omologi i care au tendina de a se transmite mpreun, n bloc, la descendeni, aparin aceluiai grup de linkage. Numrul grupurilor de linkage este egal cu numrul haploid de cromozomi (n) din celul. Astfel, la Drosophila (2n=8) sunt patru grupe de linkage (n=4); la mazre (2n=14) 7 grupe de linkage; la porumb (2n=20) 10 grupe. Extrapolnd, la principalele specii forestiere numrul grupelor de linkage ar fi: 12 la molid, pin, brad, larice, tisa, fag, stejar, castan (fiecare specie avnd 2n=24 i n=12); 11 la ienupr, tuia, chiparos de California (2n=22 i n=11); 13 la duglas (2n=26, n=13); 14 la mesteceni, ulmi i duzi (2n=28, n=14); la salcm 10 (2n=20, n=10). De remarcat c problema numrului grupelor de nlnuire nu este foarte simpl. Sunt specii la care numrul grupelor