Гигантские хромосомы слюнных желез личинок мотыля

Работа 4. Общая-характеристика гигантских хромосом

Гигантские политеновые хромосомы слюнных желез * удобнее приготовить из слюнных желез мотыля (см. работу 1), который крупнее ** , чем пригодная для этого 4-5-дневная выползающая личинка дрозофилы. Отпрепарованные слюнные железы погружают в каплю ацеторсеина (или ацестокармина) на 5-20 мин.

* ( Работа выполняется как факультатив кружковцами или отдельными учащимися.)

** ( Крупнее хромосомы мотыля — их длина 270 мкм.)

Краситель приготовляют заранее по следующей прописи: 1 г орсеина (или кармина) растворяют в 100 мл 45% уксусной кислоты. Эту смесь кипятят в колбочке (обернутой ватой и помещенной в водяную баню) на слабом огне от 30 мин до 1 ч. Затем закрывают горлышко колбочки ватным тампоном и на следующий день фильтруют (такая краска долго не теряет своих свойств).

Окрашенные слюнные железы переносят на чистое предметное и закрывают покровным стеклом. Поверх покровного стекла помещают маленький кусочек фильтровальной бумаги и осторожно раздавливают железы. Для заделывания раздавленных слюнных желез на них наносят каплю ацеторсеина, разбавленного уксусной кислотой (в соотношении 3:1), в которую добавляют маленькую капельку хлоралгидрата (5 мг на 2 мл воды). Затем окончательно покрывают препарат чистым покровным стеклом, края которого для лучшей герметизации заливают небольшим количеством расплавленного парафина. На холоде окраска препарата сохраняется около месяца.

Приготовленный препарат рассматривают при малом увеличении микроскопа (7×8). В центре клетки, где хромосомы расправлены, лучше можно обнаружить центромеру (хромоцентр) в виде более ярко окрашенного узла. От него отходят хромосомы, рассмотреть детали строения которых можно при больших увеличениях (см. рис. 26).

Гигантские (политенные) хромосомы

В клетках некоторых дифференцированных органов двукрылых находятся так называемые гигантские хромосомы. Впервые эти хромосомы в 1881 г. описал Е. Бальбиани в клетках слюнных желез мотыля (Chironomus). В дальнейшем такие гигантские хромосомы были обнаружены у личинок двукрылых в ядрах клеток кишечника, мальпигиевых сосудов, а также у некоторых растений в ядрах синергид, например у гороха. Гигантские хромосомы в 100-200 раз длиннее и в 1 000 раз толще (содержат до I 000 хромо нем), чем хромосомы многих интерфазных соматических и половых клеток.

У личинок Drosophilae melanogaster общая длина четырех пар хромосом в слюнных железах составляет 2 000 мкм, а в обычных соматических клетках аналогичная величина — 7,5 мкм.

Характерные форма и размеры гигантских хромосом достигаются вследствие их максимальной деспирализации и многократного воспроизведения без последующего расхождения. Этот процесс — крайнее выражение так называемого эндомитоза. Благодаря тому что реплицированные хромонемы не расходятся, все особенности индивидуальной хромонемы, в частности ее хромомерный рисунок, оказываются более контрастно выраженными. Участки более плотной спирализации хромонем (хромомеры) на гигантских хромосомах представлены в форме поперечной исчерченности дисков. Такие политенные хромосомы далее не воспроизводятся и находятся в состоянии соматической конъюгации гомологов, достигающей идеальной точности. Диски и междисковые участки гомологов расположены строго параллельно и на большом протяжении хромосом тесно сближены. Такая конъюгация не характерна для хромосом подавляющего большинства соматических клеток. Возможность четко различать детали строения гигантских хромосом была использована Т. Пайнтером для изучения их перестроек и характера конъюгации хромосом.

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИГАНТСКИХ ХРОМОСОМ СЛЮННЫХ ЖЕЛЁЗ Drosophila melanogaster КАК МОДЕЛИ ИЗУЧЕНИЯ ЯВЛЕНИЯ ПОЛИТЕНИИ

В работе описано исследование гигантских хромосом на примере хромосом слюнных желез дрозофилы меланогастер. В работе сравниваются хромосомы на различных личиночных стадиях.

Скачать:

Вложение	Размер
issledovatelskaya_rabota.zip	2.92 МБ

Подписи к слайдам:

Рисунок 5. Пробирки с питательным раствором и личинками мухи дрозофилы
Рисунок 10. Политенные хромосомы клеток слюнных желёз
личинок Canton- S II
I
возраста(увеличение
x
40)
x40
)
Лабораторная работа №
1

Тема: Изучение строения препаратов политенных хромосом личинок
Drosophila

Цель работы: познакомиться со строением гигантских хромосом, раскрыть сущность явления политении.
Оборудование: микроскопы, готовые препараты политенных хромосом
Изучаемые объекты: политенные хромосомы слюнных желез различных личиночных стадий
Drosophila melanogaster
(дрозофила)
Рисунок 1. Дрозофила: 1 — самка: 2 — самец
.
С6

При скрещивании мух дрозофил с серым телом и нормальными крыльями с мухами дрозофилами с чёрным телом и зачаточными крыльями всё поколение было единообразно и имело серое тело и нормальные крылья. При скрещивании другой пары с такими же фенотипами (мух дрозофил с серым телом и нормальными крыльями с мухами дрозофилами с чёрным телом и зачаточными крыльями) в потомстве получили половину особей с серым телом и нормальными крыльями и половину особей с чёрным телом и нормальными крыльями.
Составьте схему каждого скрещивания. Определите генотипы родителей и потомства. Объясните полученные результаты. Как определяются доминантные признаки в данном случае.
Рисунок 4. Мутанты линии

Normal
,
Canton S
–дикий тип, серое тело, красные глаза.

Рисунок 9. Политенные хромосомы клеток слюнных желёз личинок
Canton- S
II

возраста (увеличение
x
40)
ВЫВОДЫ
1.
Ознакомлены с биологическими особенностями Drosophila melanogaster как объекта, удобного для биологического исследования.
2. Освоена методика изучения микропрепаратов политенных хромосом на личинках линий Drosophila melanogaster, имеющихся в генетической коллекции на кафедре биотехнологии и микробиологии НИУ «БелГУ»;
3. Определено, что оптимальной личиночной стадией для приготовления наглядных препаратов политенных хромосом является: личинка линии Canton- SIII возраста.
4. Выявлена сущность понятия «политения».
5. Рассмотрены КИМы ЕГЭ по биологии, проработаны задания по цитологии и генетики.
6. Разработаны рекомендации по использованию результатов исследования микропрепаратов политенных хромосом в курсе средней школы на уроках при проведении практических и лабораторных работ по цитологии и генетике

ИССЛЕДОВАНИЕ
ГИГАНТСКИХ ХРОМОСОМ СЛЮННЫХ ЖЕЛЁЗ
Drosophila

КАК МОДЕЛИ ИЗУЧЕНИЯ ЯВЛЕНИЯ
ПОЛИТЕНИИ

Выполнила ученица 10
класса МБОУ «
Кустовкая
СОШ»
Горовая

Руководитель
Учитель биологии
Чепурная
О.В.
Рисунок 10. Политенные хромосомы клеток слюнных желёз
личинок black (b)
II
возраст(увеличение
x 40)
x40)

С 5
В соматических клетках мухи дрозофилы содержится 8 хромосом. Определите число хромосом и молекул ДНК в клетках её семенников при гаметогенезе в зоне размножения и зоне окончательного созревания гамет. Объясните полученные результаты. Какие процессы происходят в этих зонах?
Рисунок 3 Мутанты серии
Vestigial
. 1 —
vestigial
(зачаточные крылья)

Рисунок 8 . Личинки Drosophila melanogaster 3 возраста

Методика изучения приготовленных препаратов гигантских хромосом слюнных желёз личинок различных линий D.
melanogaster
.
Гигантские (политенные) хромосомы образуются в результате явления, называемого
политенией

(от греч.
poly
— много —
teni
— тело), когда число хромонем в хромосомах увеличивается, но образующиеся хроматиды не расходятся, расщепления хромосом не происходит, и они поэтому утолщаются, становясь крупными.

Рисунок 12. Политенные хромосомы клеток слюнных желёз
личинок vestigial (vg) II
I
возраста(увеличение
x 40)
40)
Рисунок 7 . Личинки Drosophila melanogaster 2 возраста

А1 Цитогенетический метод позволяет изучить у человека
1.Развитие признаков у близнецов
2.Особенности обмена веществ организма
3.Его хромосомный набор
4.Родословную его семьи
А29 Нуклеиновые кислоты в комплексе с белками образуют
1.Лизосомы
2.Комплекс
Гольджи
3.Хлоропласты
4.Хромосомы

•
Рисунок 2.Политенные хромосомы
Личинки мухи
Drosophila

Рисунок 6 .Личинки Drosophila melanogaster
Рисунок 11. Политенные хромосомы клеток слюнных желёз
личинок vestigial (vg)
II
возраста(увеличение x40)
Ряд разделов генетики таких как: хромосомная теория наследственности, генетическая теория определения пола, множественный аллелизм, мутагенез и другие разработаны на дрозофиле (плодовой, или уксусной, мухе). Удобство использования личинок Drosophila melanogaster заключается в том, большинство личиночных органов дрозофилы политенны

Изучение политенных хромосом в клетках слюнных желез личинки комара

Хромосомы животных, обнаруживаемые на стадии метафазы, малы по размерам, компактны и не всегда доступны для тонкого аназиза. Цитологи открыли в некоторых соматических клетках особый вид хромосом — так называемые политенные хромосомы. Эти хромосомы в 100-200 раз длиннее и содержат намного больше хромонем, чем обычные метафазные.

Гигантские хромосомы были обнаружены итальянским цитологом Е.Бальбиани в слюнных железах комара хирономуса. Эти хромосомы возникают потому, что клетки не претерпевают деления, а лишь увеличиваются

в размерах. Так как хромонемы политенных хромосом репродуцируются без последующего расхождения, то каждая хромосома приобретает вид пучка хромонемных нитей, число которых достигает одной тысячи. При редупликации хромонем на хромосомах выявляются утолщения (диски), обусловленные либо более плотной спирализацией, либо наличием гранул в определенных участках. Диски могут быть различного размера и строения и их можно видеть при большом увеличении микроскопа. В каждой хромосоме эти диски имеют свои размеры и особенности расположения и являются морфологическими маркерами при изучении хромосом.

Цель занятия. Приготовить препараты слюнных желез личинки комара, рассмотреть их под микроскопом, подсчитать число хромосом и зарисовать их при малом и большом увеличении.

Приготовление препарата. Личинку комара помещают на предметное стекло в каплю физиологического раствора (0,73% раствор поваренной соли). Установив предметное стекло с личинкой на столик микроскопа, извлекают слюнные железы. Для этого одной препаровальной иглой прижимают туловище личинки, а другой иглой отделяют хоботок. Вместе с хоботком извлекают две слюнные железы в виде овальных плотных полупрозрачных телец. Железы с помощью препаровальной иглы переносят на другое предметное стекло для окрашивания. Окрашивают железы ацетаторсеином в течении 15-20 минут. После окрашивания препарат промывают в 45% уксусной кислоте, переносят на чистое предметное стекло, накрывают покровным стеклом и слегка придавливают. При этом следят чтобы покровное стекло не сдвигалось. Препарат рассматривают под малым увеличением микроскопа.

У комара кариотип составляет 6 хромосом. Гомологичные хромосомы коньюгируют, соединяясь попарно по всей длине. Поэтому в поле зрения видны клетки слюнных желез с тремя парами хромосом. При большом увеличении микроскопа можно видеть, что политенные хромосомы состоят из дисков, что создаёт видимость поперечных полос. (рис. 5). Диски могут быть различного размера и строения. Специфическое для каждой политенной хромосомы расположение и чередование дисков позволяет легко отличить её под микроскопом от других хромосом и опознать любой ее участок. При коньюгации гомологов в норме идентичные диски оказываются друг против друга.

Рис. 5.Часть гигантской полинемной хромосомы слюнной железы мотыля (пуф отмечен стрелкой)

Просмотрев препарат, находят клетки с более четко видимыми хромосомами и зарисовывают их при малом и большом увеличении.

Жимулёв Курс лекций

Глава 11. Упаковка ДНК в хромосомах

Рис. 11.18. Картирование петель в хромосомах типа “ламповых щ¸ток” у курицы (Из: Челышева и др.)

Рис. 11.19. Изменение структуры участка

Рис. 11.20. Некоторые характерные

типы петель в хромосомах типа

“ламповых щеток” у тритона и

связанных с ними хромомеров (Из:

Callan, 1986, p. 20)

Глава 11. Упаковка ДНК в хромосомах

Литература к разделу 11.4.

Челышева Л.А., Соловей И.В., Родионов

А.В., Яковлев А.Ф., Гагинская Е.Р.

курицы. Цитологические карты

хромомеров и их предполагаемая

макробивалентов. Цитология Т. 32,

связь с парой латеральных петель

(Èç: Callan, 1986, p. 21).

Verlag, 1-254, 1986.

Рис. 11.22. Разные типы организации транскрипции в петлях хромосом типа “ламповых щеток” (Из: Callan, 1986, p. 117)

Глава 12. Политенные хромосомы

Глава 12. Политенные хромосомы

12.1. Общие положения

12.2 Морфологические характеристики

12.3. Встречаемость политенных хромосом в природе

12.4. Многонитчатость политенных хромосом

12.5. Синапсис и асинапсис гомологов

Хромомерный рисунок в политенных хромосомах

12.9. Генетическая организация морфологических

структур политенных хромосом

12.10. Гормональный контроль пуфов

12.11. Пуфы теплового шока

12.13. Кольца Бальбиани

12.15. Прицентромерный гетерохроматин

в политенных хромосомах

12.16. Теломерный гетерохроматин

в политенных хромосомах

12.17. Интеркалярный гетерохроматин

в политенных хромосомах

12.18. Репликация ДНК в политенных хромосомах

12.19. Использование политенных хромосом в

Глава 12. Политенные хромосомы

12. Политенные хромосомы

Х. Бауэр, Р. Кинг и Х. Бимс (T. Painter,

E. Heitz and H. Bauer, R. King and H.

12.1. Общие положения

Beams), используя метод давленых

Политенные хромосомы были

препаратов, показали, что “спирема” не

открыты Е. Бальбиани (E. Balbiani) в

1881 году в клетках слюнных желез,

шнуром, а состоит из отдельных

Мальпигиевых сосудов, кишечника,

Chironomus plumosus. Îíè áûëè

митотических хромосом. По мнению

описаны как длинные цилиндрические

этих исследователей, каждый элемент

изгибаясь заполняют весь объем ядра.

плотного синапсиса гомологичных

“перманентной спиремой”, поскольку,

О том, что спирема имеет

по мнению автора, в каждом ядре был

только один такой шнур и он напоминал

обычным митотическим хромосомам

слегка закрученную спиральную нить

впервые предположил Ф. Рамбоусек (F.

— спирему. Девять лет спустя, в 1890

Rambousek) в 1912 году, затем Д.

Костов в 1930, Н.К. Кольцов в 1934 и

Х. Бауэр — в 1935. Важнейшие

развивающемся зачатке макронуклеуса

доказательства в пользу хромосомной

инфузории Loxophyllum meleagris (Рис.

природы спиремы получил Т. Пайнтер

в середине 1930-x годов. Используя

В 1933-1934 гг. три группы

серию хромосомных перестроек с

исследователей: Т. Пайнтер, Э.Хайц и

точками разрывов в известных районах

Рис. 12.1. Первые рисунки политенных хромосом, сделанные Е. Бальбиани в 1881(а) и 1890(б) годах. а — ядро клетки слюнной железы личинки Chironomus plumosus, б — зачаток макронуклеуса (?) инфузории Loxophyllum meleagris.

Глава 12. Политенные хромосомы

хромосом он прокартировал 22 гена и

находящиеся в состоянии, когда гены

продемонстрировал полное линейное

имеют максимальные возможности для

сответствие между их расположением

на генетической карте, а так же на

цитологических картах митотических

2. Они имеют гигантские размеры, т.к.

хромосом и спиремы. Гигантские

они состоят из тысяч гомологичных

размеры хромосом слюнных желез

согласно гипотезе Н.К. Кольцова

3. Эти хромосомы имеют характерный

объяснялись их многонитчатостью.

рисунок поперечной исчерченности —

Термин “политенные хромосомы” был

рисунок хромомеров (Рис. 12.2.).

предложен П. Коллером (P. Koller) в

4. Число хромосомных элементов в

1935 году и был принят по

ядрах с политенными хромосомами

рекомендации К. Дарлингтона (С.

Darlington) â 1937 ãîäó.

гомологичные хромосомы каждой пары

Итак, политенные хромосомы имеют

тесно конъюгируют друг с другом, в

следующие характерные особенности: 1.

результате чего общее число хромосом

Это интерфазные хромосомы, т.е.

максимально декомпактизованные и

Правое плечо хромосомы 2

Рис. 12.2. Политенные хромосомы Drosophila melanogaster (Из: Painter, 1934). Хромосомы расправились на предметном стекле в результате раздавливания. Каждая родительская хромосома спарена со своим гомологом (соматический синапсис). Есть районы где две хромосомы лежат отдельно (асинапсис). Все хромосомы связаны центромерными районами в общий хромоцентр. В левом нижнем углу показаны митотические хромосомы из клеток яичников при том же увеличении

Глава 12. Политенные хромосомы

12.2. Морфология политенных хромосом

Политенные хромосомы изучают на давленных препаратах: слюнные железы личинок (чаще всего) или других органов фиксируют в кислых фиксаторах, красят в кислотном растворе орсеина или кармина и затем раздавливают между предметным и покровным стеклами. Хромосомы при этом расправляются.

Выделяют два типа расположения хромосом в ядре: независимое друг от друга и связанное: с объединением прицентромерных районов всех хромосом в общий хромоцентр (Рис. 12.3.).

Какой-либо эволюционной связи между видовой принадлежностью и наличием или отсутствием хромоцентра не обнаружено.

Морфология политенных хромосом может широко варьировать в зависимости от степени синапсиса хроматид. Политенные хромосомы развиваются из хромосом диплоидных ядер за счет последовательных дупликаций каждого хромосомного элемента. Если коньюгация гомологичных хроматид максимальна, образуются “классические” политенные хромосомы, т.е. цилиндрические жгуты с отчетливым рисунком дисков, такие какие были описаны у Chironomus tentans или Drosophila melanogaster (Рис. 12.3.). Если степень коньюгации хроматид минимальна, образуется полиплоидное ядро с ретикулярной структурой. Это так называемая скрытая политения (Рис. 12.4.). В некоторых случаях коньюгация хроматид нарушается очень сильно., но только в некоторых

Рис. 12.3. Хромосомы Chironomus tentans без хромоцентра (а) и Drosophila virilisсхромоцентром(б)(Из:Beermann, 1962 и Губенко, 1983, в кн. Жимул¸в, 1992, стр. 131)

хромосомах из всего набора. Эти хромосомы затем полностью утрачивают рисунок дисков, становятся диффузными, как “помпоны” (Рис. 12.4.).

Как “классические”, так и скрытые политенные хромосомы должны рассматриваться в единстве. Существует огромная литература о возможностях переходов из одной формы политении в другую. Рассмотрим некоторые примеры:

Глава 12. Политенные хромосомы

Рис.12.4. Степень коньюгации и расположение хроматид в политенных хромосомах классического типа (а), при скрытой политении (б) и в “помпоно”-подобных хромосомах (в). Индивидуальные хроматиды с хромомерами, обозначенными черными прямоугольниками, плотно контактируют друг с другом, при этом хромомеры формируют диски (а). Хроматиды контактируют друг с другом только в некоторых участках, формируя структуру наподобие метлы

(б). Коньюгация хроматид нарушена полностью, формируется “помпон”

(в). Кружком помечен центромерный район

1. В питающих клетках ооцитов взрослых мух-представителей большинства семейств отряда Diptera классические политенные хромосомы не образуются. Однако, у некоторых видов, например, у комаров рода Anopheles политенные хромосомы имеют наиболее четкий рисунок дисков именно в

питающих клетках. У дрозофил классические политенные хромосомы в питающих клетках образуются только у мутантов, при этом четкость рисунка дисков увеличивается при понижении температуры и введении в геном дополнительного гетерохроматина (Y- хромосомы). Классические политенные хромосомы в питающих клетках ооцитов D. melanogaster формируются

ó мутантов otu (ovarian tumor) и fs(2)B. И совсем поразительные результаты были получены в результате генетических экспериментов на мясной мухе Calliphora erythrocephala. После 14 поколений тесного инбридинга с отбором на улучшение “качества” хромосом были получены две сублинии с ч¸тким рисунком дисков. После скрещивания этих линий между собой классические политеннные хромосомы полностью исчезают (Рис. 12.5.), т.е. хроматиды полностью теряют конъюгационные способности.

2. Помпоноподобные Х-хромосомы

ó дрозофилы образуются в результате мутаций, т.е. при нормальной конъюгации хроматид формируется классическая политенная хромосома, а у мутантов — “помпон”. Многочисленные случаи переходов от классических хромосом к помпоноподобным известны у многих видов как результат различных физиологических нарушений, например, мутаций, инкубаций in vitro или in vivo, а также инфекций.

3. У родственных видов ногохвосток (отряд Collembola) обнаружено варьирование структуры политенных хромосом: у одного вида, Pseudachorutes palmiensis, все ядро заполнено помпоноподобными хромосомами, у которых конъюгация хроматид

Глава 12. Политенные хромосомы

сохраняется лишь в области блоков прицентромерного гетерохроматина. У другого вида, Protachorutes, конъюгацию сохраняют хроматиды в прицентромерных и проксимальных частях хромосом, более удаленные участки хроматид расконъюгированы.

4. Особенно интересным является обнаружение зависимости конъюгации хроматид от температуры.

С середины 1930-x годов известно, что более четкая картина дисков получается, если все процедуры (выращивание личинок для опыта, температура фиксатора и физраствора) проводятся при низких температурах. Еще более сильное влияние температуры на морфологию политенных хромосом было обнаружено в опытах с фасолью. У растений давно известны политенные хромосомы, образующиеся в различных типах клеток, однако это хромосомы без рисунка дисков (скрытая политения). Такой тип хромосом возникает если выращивать растения при температуре

22 0 C. Если изменить температурный режим (8 0 C ночью и 12 0 C — днем), политенные хромосомы приобретают четкий рисунок дисков.

В общем морфология политенных хромосом у самок и самцов одинакова. Однако, у самцов дрозофилы X- хромосома имеет отличия: она более разрыхлена, слабее окрашивается и площадь ее почти такая же как у двух X-хромосом самок. Количество негистоновых белков в X-хромосоме самца примерно в полтора раза выше, чем в одной хромосоме самки. X- хромосома самца синтезирует вдвое больше РНК, чем X-хромосома самки. Это явление называется дозовой компенсацией (см. детали в разд. 13.). Гены Sxl, mle и msl играют главную роль в создании особой морфологии X- хромосомы самца. Белки, кодируемые генами группы msl, в сочетании с особой ацетилированной формой гистона H4, разрыхляют X-хромосому самца.

Рис. 12.5. Возникновение ретикулярной структуры (в) в ядрах питающих клеток ооцитов у Calliphora erythrocephala в результате скрещивания двух инбредных (а, б) линий с классическими политенными хромосо мами (Из: Ribbert, 1979, в кн. Zhimulev, 1996, p. 56)

Глава 12. Политенные хромосомы

12.3. Встречаемость политенных хромосом в природе

Ñ учетом данных о классической и скрытой политении ниже приведены сведения о распространении политенных хромосом в природе (Табл. 12.1.) (см. след. стр.).

12.4. Многонитчатость политенных хромосом

Предположение о многонитчатости только что открытых гигантских хромосом, высказанное Н.К. Кольцовым в 1934 году, вскоре получило многочисленные экспериментальные подтверждения. К настоящему времени имеются многочисленные и разнообразные доказательства того, что хромосомы этого типа являются пучком индивидуальных нитей — хроматид.

Самым простым доказательством политенности хромосом является, повидимому, измерение количества ДНК в ядрах с политенными хромосомами и отнесение этого количества к содержанию ДНК в обычном диплоидном или гаплоидном ядре. Это отношение будет характеризовать степень плоидности (политенности) хромосом в данном типе клеток на данной стадии развития. Для этого чаще всего используют методики цитофотометрии или спектрофотометрии. Использование этих методов основано на измерении поглощения света определенной длины волны при прохождении через окрашенный или неокрашенный препарат.

Сведения о степени политенизации ДНК в клетках некоторых типов представлены в Табл. 12.2.

Табл. 12.2. Степени политении в клетках некоторых типов (Из: Жимулев, 1992, стр. 175-178)