شارح الدرس: الوراثة الأحادية الهجين الأحياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نتذكَّر قوانين مندل للوراثة، ونفسِّر المخطَّطات الوراثية لتزاوجات أحادي الهجين.

هل لاحظت من قبلُ أن أغلب الناس يشبهون نوعًا ما أمهاتهم البيولوجيات وآباءهم البيولوجيين؟ لعلك تتساءل لماذا ورثتَ شعرك الداكن من والدك، وعينيك الخضراوين من والدتك. تساعدنا أنماط وقوانين الوراثة على تفسير هذا الأمر. الوراثة جزء لا يتجزأ من علم الأحياء. تُشير الوراثة إلى الطريقة التي تنتقل بها المادة الوراثية من الأبوين إلى النسل.

حدث أحد أهم التطورات في دراسة علم الجينات والوراثة من تجارب راهب نمساوي أجراها في حديقته، وقد بدأها في منتصف خمسينيات القرن التاسع عشر. كان جريجور مندل مهتمًّا بتهجين النباتات، والتنوع الذي تُظهره، واستخدام الرياضيات لتفسير العمليات الطبيعية.

قرَّر مندل إجراء أبحاثه باستخدام نبات البازلاء. كان نبات البازلاء مفيدًا بوجه خاص في هذا النوع من التجارب. لهذا النبات سمات متباينة متميِّزة للغاية؛ على سبيل المثال، بعض نباتات البازلاء لها زهور أرجوانية، والبعض الآخر له زهور بيضاء. بعض نباتات البازلاء له قرون خضراء، والبعض الآخر له قرون صفراء. كما أنه من السهل جدًّا تهجين نبات البازلاء من خلال التلقيح الذاتي والتلقيح الخلطي.

يوضِّح الشكل 1 إحدى تجارب مندل. لاحَظ أن نسل الأبوين (الذي يُعرف بالجيل الأول (F1)) جميعه له أزهار أرجوانية، على الرغم من أن أحد النباتين الأبويين له أزهار بيضاء. استنتج مندل أن الأزهار الأرجوانية هي الصفة السائدة، والأزهار البيضاء هي الصفة المتنحية. ومع ذلك، عندما لُقِّحت نباتات الجيل الأول ذاتيًّا، أنتجت نباتًا واحدًا تقريبًا ذا أزهار بيضاء مقابل ثلاثة نباتات ذات أزهار أرجوانية. في واقع الأمر، عندما أجرى مندل هذه التجربة، كان عدد النباتات المنتَجة ذات الأزهار الأرجوانية في الجيل الثاني 705، والنباتات ذات الأزهار البيضاء 224. والأهم من ذلك، هو أنه تمكَّن من توضيح أن الصفة المتنحية لم تُدمَّر أو تُدمَج في الصفة السائدة، بل كانت مختفية في الجيل الأول ثم عاودت الظهور في الجيل الثاني.

من المهم تذكُّر أنه عند إجراء تجارب مندل، منذ أكثر من 150 سنة، لم يكن الحمض النووي (DNA) قد اكتُشف بعدُ. لم يكُن الناس يعلمون شيئًا عن الجينات أو الأليلات أو ترتيب المادة الوراثية داخل الخلايا. بعض المصطلحات التي استخدمها مندل، مثل «العامل الموروث»، أصبح يُطلَق عليها الآن أسماء علمية، مثل «الجين».

أظهرت تجارب مندل الوراثة الأحادية الهجين، وهي وراثة صفة يتحكَّم فيها جين واحد. في هذه الحالة، الصفة هي لون الزهرة الذي له سمتان: إما أن يكون أبيض وإما أرجوانيًّا. يتحكَّم في ظهور هذه السمات مجموعة الأليلات التي يرثها الكائن الحي.

دعونا نُلقِ نظرةً على علم الجينات الذي قامت على أساسه تجارب مندل باستخدام ما نعرفه الآن عن الوراثة.

في الشكل 2، استخدمنا نفس التزاوج الموضَّح في الشكل 1، وأضفنا أليلات كل نبات، وكذلك لون أزهار النباتين. الأليلات هي أشكال مختلفة من الجين نفسه، ويحمل الكائن الحي، بوجه عام، أليلين لسمة معيَّنة. على سبيل المثال، قد يحتوي أحد الجينات التي تتحكَّم في لون عينيك على أليل يُشفر العيون البنية، وأليل يُشفر العيون الزرقاء! تُعرَف الأليلات التي يمتلكها الكائن الحي بالنمط الجيني. يُحدِّد النمط الجيني للكائن الحي مظهره الجسماني، وتُعرَف الصفات الظاهرية في الكائن الحي باسم النمط الظاهري.

تَظهر أليلات الوراثة الأحادية الهجين البسيطة في شكلين: سائدة ومتنحية. الأليلات السائدة هي التي يُعبَّر عنها دائمًا في النمط الظاهري عند وجودها في النمط الجيني. تُمثَّل الأليلات السائدة بحروف كبيرة (على سبيل المثال، P). الأليلات المتنحية هي الأليلات التي يُعبَّر عنها في النمط الظاهري فقط عند وجود نسختين منها في النمط الجيني، أو بعبارة أبسط، عند غياب الأليل السائد. وتُمثَّل بحروف صغيرة (على سبيل المثال، p).

كما نرى في الشكل 2، فإن الجيل الأول بالكامل له النمط الجيني Pp. وهذا يعني أن الجيل الأول يُعرَف بمتغاير الزيجوت؛ نظرًا لاختلاف الأليلين لجين معيَّن. وبما أن P، أليل الأزهار الأرجوانية، هو السائد، يكون اللون الأرجواني هو اللون الذي يُعبَّر عنه في النمط الظاهري. ومع ذلك، عندما ينتج الجيل الثاني، يكون النمط الجيني لنحو النباتات هو pp. عند وجود النمط الجيني pp تكون هذه النباتات متماثلة الزيجوت؛ لأن كلا الأليلين لهذا الجين متماثلان. ولأنه أصبح الآن هناك نسختان للأليل المتنحي الذي يُعطي أزهارًا بيضاء، فإن هذا يُعبَّر عنه في النمط الظاهري. وهذا يساعدنا على فهم علم الجينات الذي قامت عليه ملاحظات مندل منذ أكثر من 150 سنة!

يمكننا تمثيل وراثة الصفات باستخدام مربعات بونت. يُعَد مربع بونت أداة مفيدة للغاية لتوضيح كيف تندمج الأليلات الموجودة داخل الجاميتات والأنماط الجينية للنسل التالي. إذا عرفنا الصفات التي تمثِّلها الأليلات، فسيمكننا أيضًا تحديد الأنماط الظاهرية المحتمَلة للنسل.

خطوات: تكوين مربع بونت لتوضيح الوراثة الأحادية الهجين

مربع بونت هو طريقة مفيدة للغاية لتوضيح كيفية وراثة كائن حي للأليلات من أبويه. عندما تتزاوج الكائنات الحية، تندمج جاميتاتها (خلايا جنسية) في عملية تُسمَّى الإخصاب. تحتوي الجاميتات على نصف المادة الوراثية للخلية العادية، ومن ثَمَّ، تحتوي على أليل واحد لكل جين. يجب أن يحتوي الصف العلوي والعمود الموجود على يسار مربع بونت على أليلات كلا الأبوين، كما هو موضَّح في الشكل.

نُكمل بعد ذلك مربع بونت من خلال ملء كل خانة من الخانات. نأخذ الحرف الذي يقع في رأس العمود، والحرف الموجود في بداية الصف، ونكوِّن تركيبًا من الحرفين. وهذا موضَّح في الشكل الآتي.

لا يهم أيٌّ من الأبوين تختار (أ) أو (ب).

نفترض أن لدينا مجموعة من الآباء تتزاوج لإنتاج نسل. أحد الأبوين له أليلان للعيون البنية (BB)، والآخر له أليلان للعيون الزرقاء (bb). نبدأ بملء الصف العلوي والعمود الأول من مربع بونت لنوضِّح كيف ستُقسَّم الأليلات بين جاميتات كلٍّ من الأبوين.

بعد ذلك، كل ما علينا فعله هو ملء خانات الجدول بالتركيب الصحيح للأليلات. في كل خانة، نأخذ رأس العمود وبداية الصف. ومن ثَمَّ، يجب أن يكون في كل خانة تركيب مكوَّن من أليلين. من الأفضل بوجه عام وضع الأليلات السائدة (الممثَّلة بالحروف الكبيرة) أولًا.

وبذلك يكون مربع بونت قد اكتمل! ومن هنا، يمكننا استخدام هذه الطريقة لتوقُّع التركيب الجيني والمظهر الجسماني لنسل هذين الأبوين.

يوضِّح الشكل 3 مربع بونت لإنتاج الجيل الأول في المثال الذي تناولناه عن لون أزهار نبات البازلاء.

كما نرى في مربع بونت، فإن جميع الأنماط الجينية هي Pp. وهذا يعني أن أربعة من أصل أربعة، أو نسبة من النسل سترث أليلًا سائدًا يُعطينا سمة الأزهار الأرجوانية. يمكننا استنتاج أن النمط الظاهري لهذا الجيل سيكون بنسبة أزهارًا أرجوانية؛ إذ إن نسبة الجين السائد إلى الجين المتنحي هي .

مثال ١: حساب نسب النمط الظاهري من مربع بونت مكتمل

حدِّد نسبة النمط الظاهري (السائد إلى المتنحي) لمربع بونت الموضَّح.

الحل

نفهم أولًا المصطلحات الأساسية الواردة في السؤال. يطلب منا السؤال إيجاد «نسبة النمط الظاهري». النمط الظاهري هو الصفات الظاهرية لكائن حي. ويتأثَّر النمط الظاهري بشكل مباشر بالنمط الجيني؛ أي التركيب الجيني (الأليلات) للكائن الحي. تُكتَب الأليلات وفقًا لنهج معيَّن. يُشير الحرف الكبير إلى أليل سائد، وهو أليل يُعبَّر عنه دائمًا في النمط الظاهري عند وجوده. في هذه الحالة، الأليل السائد هو G. يُشير الحرف الصغير إلى أليل متنحٍّ لا يُعبَّر عنه في النمط الظاهري إلا في حال وجود نسختين منه. في هذه الحالة، الأليل المتنحي هو g.

يوضِّح مربع بونت في السؤال الأنماط الجينية المحتمَلة للنسل الناتج من تزاوج أبوين لهما النمطان الجينيان و.

بالنظر إلى مربع بونت، نلاحظ أنه يُوجَد احتمال واحد لكل أربعة أن يكون النمط الجيني للنسل GG، واحتمال اثنين لكل أربعة أن يكون نمطه الجيني Gg، واحتمال واحد لكل أربعة أن يكون نمطه الجيني gg.

وباستخدام ما نعرفه عن الأنماط الظاهرية، فإن النمط الجيني الذي له أليل سائد واحد G سيُظهِر نمطًا ظاهريًّا سائدًا. الاحتمال الوحيد لظهور النمط الظاهري المتنحي هو وجود أليلين متنحيين gg. ومن ثَمَّ، يعني هذا أن هناك احتمال ثلاثة لكل أربعة أن يُظهر النسل النمط الظاهري السائد، واحتمال واحد لكل أربعة أن يُظهر النمط الظاهري المتنحي.

يطلب منا السؤال أن نكتب الإجابة في صورة نسبة. ثلاثة من إجمالي الأنماط الظاهرية الأربعة ستكون أنماطًا سائدة، وواحد من إجمالي أربعة سيكون نمطًا متنحيًا.

وبناءً على ذلك، فإن نسبة الأنماط الظاهرية السائدة إلى المتنحية هي .

نتناول مثالًا آخر على التجربة المندلية.

تُنتج نباتات البازلاء التي استخدمها مندل في تجاربه بذورًا بلونين مختلفين: إما الأخضر وإما الأصفر. مرةً أخرى، بدأ مندل بالنباتين الأبويين اللذين تم تلقيحهما ذاتيًّا لإنتاج بذور لها لون واحد. بعد ذلك لقَّحهما تلقيحًا خلطيًّا لينتج الجيل الأول، ولقَّح الأفراد من هذا الجيل تلقيحًا ذاتيًّا لإنتاج الجيل الثاني. تجربته موضَّحة في الشكل 4.

نستخدم ما نعرفه عن الأنماط الجينية لكي نستنتج بعض مربعات بونت من هذه النتائج. نمثِّل الأليل السائد للبذور الصفراء بـ Y، والأليل المتنحي للبذور الخضراء بـ y.

يوضِّح الشكل 5 مربع بونت الذي يُظهِر وراثة الجيل الأول للأليلات من النباتين الأبويين.

كما نرى في مربع بونت، فإن كل النسل في الجيل الأول له أليل سائد واحد وأليل متنحٍّ واحد. وعلى الرغم من أن له أليلًا واحدًا فقط للون الأصفر، فإنه عندما يُنتج بذورًا تكون البذور صفراء؛ لأن هذا الأليل سائد.

مثال ٢: استخدام مربعات بونت لحساب احتمال وراثة نمط ظاهري معيَّن

في نوع من نباتات البازلاء، يسود أليل القرون الخضراء على أليل القرون الصفراء. يوضِّح الشكل الآتي التزاوج بين نباتين أبويين من البازلاء. ما النسبة المئوية لاحتمال أن يَنتج نسل ذو قرن أخضر؟

الحل

عندما نتناول وراثة الصفات، فإن أسهل ما يمكننا فعله هو استخدام مربع بونت لتمثيل وراثة الأليلات. في هذا المثال، لدينا النمط الظاهري والنمط الجيني (الأليلات) لكل نبات يُنتج هذه القرون الملوَّنة.

نبدأ برسم مربع بونت.

في المربعات الموجودة في الأعلى والمربعات الموجودة على الطرف الأيسر، نضع الأليلات الموجودة في الجاميتات التي يُنتجها النباتان الأبويان. تذكَّر أن هناك أليلًا واحدًا فقط للصفة في كل جاميت. من المهم أيضًا أن تتذكَّر أنه لا يهم النبات الذي ستختاره ليكون الفرد الأبوي (أ) أو الفرد الأبوي (ب).

بعد ذلك، كل ما علينا فعله هو ملء خانات الجدول بالتركيب الصحيح من الأليلات. في كل خانة، نأخذ رأس العمود وبداية الصف. ومن ثَمَّ، يجب أن يكون في كل خانة تركيب من أليلين.

يطلب السؤال إيجاد احتمال أن يُنتج النسل الناتج عن هذين الأبوين قرونًا خضراء، بالنسبة المئوية. لذا، علينا أن نعرف أيٌّ من مجموعات الأليلات ستُنتج قرونًا خضراء. يمكننا أن نلاحظ من النباتين الأبوين أن النبات ذا الأليلين Gg له قرون خضراء، في حين أن النبات ذا الأليلين gg يُنتج قرونًا صفراء. نستنتج من ذلك أن الأليل السائد G يجب أن يكون موجودًا لكي يُنتج النبات قرونًا خضراء.

بالرجوع إلى مربع بونت، نلاحظ أن هناك احتمال اثنين إلى أربعة أن يرث النسل الأليل G؛ ومن ثَمَّ يُنتج قرونًا خضراء. كما أن هناك احتمال اثنين إلى أربعة أن يرث النسل الأليل g فقط؛ ومن ثَمَّ يُنتج قرونًا صفراء. والآن، علينا تحويل هذا إلى نسبة مئوية.

نعلم أن اثنين هو نصف الأربعة، أو . ومن ثَمَّ، فإن النسبة المئوية لاحتمال أن يَنتج نسل ذو قرون خضراء هي .

يوضِّح الشكل 6 وراثة الجيل الثاني لأليلات لون البذور في الشكل 4 من الجيل الأول الملقَّح ذاتيًّا.

وكما نرى في مربع بونت، فإن الجيل الثاني يتمتع بمجموعات أكثر تنوعًا من الأليلات. يوجد احتمال ثلاثة إلى أربعة أن يكون للنسل أليل سائد ويُنتج بذورًا صفراء اللون. ومع ذلك، هناك احتمال واحد إلى أربعة أن يرث أليلين متنحيين ويُنتج بذورًا خضراء اللون.

من تجارب مندل وما توصَّل إليه من دراسته للوراثة، وُضِعت ثلاثة قوانين للوراثة. رأينا أنه في تجارب مندل، عند تهجين نباتات البازلاء التي لها أزهار أرجوانية وبيضاء، ظهرت الأزهار الأرجوانية بنسبة أكبر في النسل مقارنةً بالأزهار البيضاء، ولم تكُن ألوان الأزهار «مختلطة». وأدى ذلك إلى وضع قانون السيادة، الذي ينص على أنه عند وجود زوج من الأليلات، يسود أليل على الآخر. باستخدام مربعات بونت لتحليل هذه التجارب، وُجِد أن النسل سيرث أليلًا واحدًا لكل جين من كل أب. وهذا أدى إلى وضع قانون انعزال العوامل الوراثية، الذي ينص على أن الجاميت الذي ينتجه الفرد الأبوي يحتوي على أليل واحد فقط لصفةٍ ما. خلال تجاربه، اكتشف مندل أيضًا أن الصفات تُورث بشكل مستقل بعضها عن بعض. على سبيل المثال، تحدث وراثة الأزهار الأرجوانية بشكل مستقل عن وراثة البذور المجعدة. وهذا أدى إلى وضع قانون التوزيع المستقل، الذي ينص على أن وراثة أليلات صفةٍ ما تحدث بشكل مستقل عن وراثة أليلات صفة أخرى.

عندما نستعرض المزيد من الأمثلة ونماذج الوراثة، نجد أن هذه القوانين ليست دائمًا صحيحة تمامًا، إلا أنها تُعَد أساسًا جيدًا لفهم علم الجينات.

في بداية القرن العشرين، تأكَّدت استنتاجات مندل بصورة أكبر من خلال اكتشاف بوفيري وساتون أن الكروموسومات هي المادة الوراثية المسئولة عن الوراثة المندلية. ودعمت استنتاجاتهما، التي تُعرَف بالنظرية الكروموسومية للوراثة، قوانين مندل للوراثة؛ إذ قدَّما الملاحظات الآتية:

• أثناء تكوُّن الخلايا الجنسية (الجاميتات) من خلال الانقسام الميوزي، تتحرَّك أزواج الكروموسومات المتماثلة بشكل مستقل عن أزواج الكروموسومات الأخرى.
• ويُعَد توزيع الكروموسومات في الجاميتات عملية عشوائية.
• تحتوي الجاميتات التي يُنتجها الفرد الأبوي على نصف المادة الوراثية لخلاياه الجسمية.
• عندما تندمج الجاميتات (الحيوان المنوي والبويضة) أثناء الإخصاب، تُنتج نسلًا له نفس عدد كروموسومات أبويه.

نلخِّص النقاط الرئيسية التي تعلَّمناها حتى الآن.