Den moderne arvelæren startet i 1866 da Mendel publiserte sine krysningsforsøk. Valget av hageerter (Pisum sativum) som forsøksmateriale var meget gunstig. Erter er ettårige, og med lukkete og tokjønnete blomster er de selvpollinerende og selvfertile. Erter kan i tillegg krysspollineres kunstig ved å overføre pollen fra en plante til arrene i blomstene på en annen plante, hvor pollenbærerne først er fjernet før de er ferdig utviklet. Det fantes mange konstante varieteter av erter, og de enten-eller karakterene Mendel undersøkte var belgenes og ertenes form og farge, blomsterfargen, blomstenes plassering endestilt eller aksialt, og høyden på plantene, i alt syv egenskaper. Hva skjedde med avkommet hvis han han kunstig krysset en kort erteplante med en lang ? Kryssing mellom to varieteter med forskjellige karakterer kalles hybridisering. Hybridene ble ingen mellomting mellom kort og lang, ga bare ga høye planter. Derimot, i neste generasjon, andre filialgenerasjon (F2), da plantene ble naturlig selvpollinert, og ertene fra disse plantene ble sådd på nytt, ga disse ca. 3/4 med lange erteplanter og 1/4 med korte erteplanter, forholdet 3:1. Mendel var overbevist om at avkommet etter første kryssing inneholdt enheter for egenskapen korte erteplanter, selv om alle var lange, og at disse enhetene kunne nedarves. En linje erter laget alltid runde erter, en annen linje laget alltid rynkete erter. Dette er fenotype karakteristikker. Mendels eksperimenter viste at fenotype karakteristikkene ble bestemt av arvlige faktorer, seinere kalt gener, som ble overført med kjønnscellene til neste generasjon. Lignende forsøk gjorde Mendel med grønne, gule, rynkete eller glatte erter, samt purpurfargede eller hvite blomster. Vi kan idag forklare Mendels resultater ut fra kunnskapen om dominante og recessive alleler (genutgaver) og genenes plassering på kromosomer. En diploid organisme vil ha to alleler for hvert gen, ett på hver av de homologe kromosomparene. Et allel som uttrykkes i avkommet første filialgenerasjon ( F1-) kalles dominant. Et allel som ikke uttrykkes kalles vikende , recessivt. Utseendet av planten (fenotypen) kunne forklares ved arvelige faktorer (genotypen).Vanligvis er fenotypen er et resultat av virkningen av mange gener.
Hvorfor så Mendels erter ut som de gjorde ?
Runde eller rynkete erter
Erter fyller frøbladene med store mengder stivelse som blir brukt som opplagsnæring for den unge kimplanten. Stivelse er satt sammen av glukose, og består av amylose og amylopektin. Rynkete erter mangler et enzym som deltar i greining av stivelsesmolekylene i amylopektin. Frøformen rynkete erter skyldes at genutgaven (r) har fått innsatt et lite stykke DNA i form av et transposon, en insersjon som gir et gitt et defekt recesivt allel, i homozygot form rr. Siden de dobbeltrecessive plantene (rr) får dårligere evne til å lage stivelse fylles ertene istedet med mer sukrose. Sukrose og andre sukker virker, i motsetning til stivelse, meget osmotisk aktivt og tiltrekker seg vann. I det siste stadiet i frøutviklingen tørker frøet ut, og siden rr frø inneholder større mengder vann vil dette gi mer rynkete frø når de tørker, sammenlignet med erter om inneholder det dominante allelet (R). Homozygote dominante planter har allelene RR. Erteplanter med genutgavene rr har også mindre mengde av lagringsproteinet legumin og høyere fettinnhold enn frø fra RR plantene. Disse forskjellene er pleiotrofe egenskaper til r allelet. En enkel forandring eller mutasjon i et gen kan påvirke flere fenotypeffekter i en plante og disse multiple fenotypeffektene sies å være pleiotrofe.
Lenkegrupper
Hvert kromosom inneholder mange gener og en lenkegruppe er gener på et kromosom som nedarves som en samlet gruppe ved celledeling. En lenkegruppe kan forklare hvorfor noen kjernelokaliserte arveegenskaper ikke følger Mendels lover for uavhengig sortering. Et lokus (l. locus – sted) er plasseringen til et gen på DNA-sekvensen til et kromosom. Lokuset som koder for enzymet som katalyserer greining av stivelse hører med til en lenkegruppe og har pleitrope effekter, det vil si at allelet påvirker på mer enn en egenskap hos ertene. Hos maishybrider opptrer det samme fenomenet hvor rynkete maisfrø gir sukkermais med et høyt sukkerinnhold.
Lange og korte erteplanter
Plantehormonet gibberellin deltar i strekning av planter. Gibberellin blir laget i en lang biosyntesevei med mange enzymatiske trinn. Hvis et gen har mistet evnen til å lage et enzym som er nødvendig for biosyntesen vil planten lage mindre gibberellin og blir kortere. Høye erteplanter med lange stengler blir kodet av en dominant genutgave (LE) , men hos korte erteplanter, dvergplanter med korte stengeler, har det i den vikende genutgaven (le) skjedd et bytte av en base i DNA (G→A, en enkeltbasesubstitusjon ) i genet som koder for proteinet gibberellin oksidase, et enzym som deltar i i biosynteseveien for plantehormonet GA1. GA1 er et gibberellin som gir strekning av celler og økt lengdevekst, og mangel på GA1 gir korte erteplanter. Genet LE hører også med til lenkegruppe.
Borlaugs grønne revolusjon
Borlaugs grønne revolusjon med utvalg av korte hveteplanter, hvor mer av fotosynteseproduktene ble brukt til å lage korn i stedet for halm, baserte seg på å selektere sorter som produserer mindre mengder gibberellin. Industrien har laget en rekke syntetiske veksthemmende stoffer (vekstretardanter) som har virkkningsmekanisme ved å blokkere et enzym i biosynteseveien for gibberellin. Stråforkorter er et slikt sprøytemiddel som gir redusert strålengde, og åkeren blir mindre utsatt for legde.
Gule og grønne erter
Grønnfargen skyldes klorofyll og gulfargen karotenoider. Når ertene utvikles i belgen er de grønne, men ved modning nå ertene og belgen tørker ut vil klorofyll vanligvis brytes ned av enzymer. Grønne erter skyldes at det har skjedd en en innsetting av en liten DNA-sekvens, en insersjon, i genet som koder for et enzym som deltar i nedbrytning av klorofyll, og ertene forbli grønne. Den samme mekanismen gjelder fargen på den modene belgen, gul eller grønn.Også for mange andre planter har man genutgaver som gir stay green-mutanter, som forblir grønne under modning og visning.
Hvite og purpurfargete blomster
Rød, blå eller fiolett farge på blomster skyldes vanligvis en type flavonoider kalt anthocyaniner i vakuolene i plantecellene. Anthocyaninene blir laget i en lang kjede med biokjemiske reaksjoner, som starter fra aminosyren fenylalanin, og hvert trinn katalysert av et enzym. Hvis et gen som koder for et enzym i kjeden har en endring i basesekvensen som gjør at det ikke virker, mister planten evnen til å lage fargede anthocyaniner, og får derved hvite blomster. For hvite erteblomster gjelder dette enzymete enzymet chalkon syntase, som også gir fargeløst frøskall.
Belgform og plassering av blomsten
For egenskapene flattrykt og sammentrykt belg, samt blomstenes plassering på plantene kjenner man til hvilke gener som deltar, men det er ukjent hvilke proteiner de koder for. Generelt skjer det et stort vitenskapelig arbeid med å identifisere gener, som bestemmer form og utseende.
Kvantitative arvbare egenskaper
Mendel undersøkte enten-eller karakterer, men mange arvelige egenskaper har flytende overganger og er kvantitaive. Kvantitative størrelser kontrolleres av flere kvantitative arvbare loki ved at disse virker sammen.
Monohybrid og dihybrid kryssing
Monohybrid kryssing
En monohybrid kryssing vil si at foreldrene (parentalgenerasjonen, P- generasjonen) atskiller seg bare i en genetisk egenskap f.eks. gul og grønn farge på ertene. Gul farge er dominant over grønn. Kryssing mellom konstante gule erter (GG) med konstante grønne (gg) vil gi planter med kjønnsceller som henholdsvis enten inneholder allelene G eller g. Mendel innførte bruken av stor bokstav for et dominant arveanlegg og liten bokstav for et recessivt arveanlegg. Alle zygoter etter denne kryssingen, F1-generasjonen, vil være av formen Gg. En gul fenotyp har en genotyp med allelkombinasjon GG eller Gg. Selvpollinering blant F1- generasjonen vil gi en F2-generasjon med gule og grønne erter i forholdet 3:1. En plante er homozygot for et gen hvis begge allelene er like, f.eks. formen GG eller gg. Planten er heterozygot for et gen hvis genet har to forskjellige alleler (Gg). Arveanleggene fordeles likt på hannlige og hunnlige kjønnsceller. En kryssing mellom planter med runde erter (RR) med planter med rynkete erter (rr) gir en F1-generasjon med bare runde erter (Rr). Karakteren runde erter er dominant over rynkete erter. Plantene i F1-generasjonen kan ved selvbefruktning gi andre filial generasjonen (F2), og nå dukker runde og rynkete erter opp i forholdet 3:1, som er forholdstallet ved en monohybrid kryssing.
Dihybrid kryssing
I en dihybrid kryssing undersøker man nedarving to forskjellige karakterer kodet av to ulenkete gener for eksempel fargekarakterene grønne eller gule ert er, og formkarakterene runde eller rynkete erter. Forholdstallet for utseende av avkommet i i en dihybrid kryssing er 9:3:3:1. Man kan også foreta en trihybrid kryssing .
Ufullstendig dominans
Man vet i utgangspunktet ingenting om genotypen ut fra fenotypen. I mange tilfeller er ingen av genene i et par dominante. For eksempel krysses en varietet av løvemunn med rød blomster med en varietet med hvite blomster får F1-avkommet rosa blomster. I F2-generasjonen blir forholdet i avkommet 1 rød : 2 rosa : 1 hvit. Dette kalles ufullstendig dominans. Omgivelsene kan påvirke i hvilken grad et gen uttrykkes, et fenomen kalt epigenetikk.
Tilbakekryssing
Tilbakekryssing eller testkryssing utføres ved å krysse en hybrid med en av sine foreldre, noe som gir et 1:1 forhold (monohybrid kryssing) eller 1:1:1:1 (dihybrid kryssing). For eksempel vil kryssing mellom F1-generasjonen og en recessiv forelder (Aa x aa) vil gi avkom med Aa og aa i forholdet 1:1. Kryssing mellom F1-generasjonen og dominant forelder (Aa x AA) vil gi dominante Aa og AA i forholdet 1:1.
Epistasis
Epistasis er et begrep introdusert av genetikeren Bateson i 1909 for å beskrive hvordan en variant av en genutgave (allel) for et gen hindrer uttrykk av et annet allel eller et annet gen. Nå brukes epistasis generelt om interaksjon mellom gener. Hvert genlokus har to mulige alleler, men i en populasjon kan hvert gen ha mange alleler. Epistasis anvendes også om hvordan muterte alleler kan samvirke med andre muterte alleler og påvirke utseende og form, og i noen ftilfeller kan slik epistasis gi økt livskraft, overlevelse og reproduksjon under evolusjonen. Epistatiske gener lager proteiner som påvirker samme prosess. R A Fisher definerte i 1918 epistasis i matematiske modeller som avvik alleler for forskjellige genloki har på additive egenskaper hos fenotypen. De fleste arveanlegg er avhengig av uttrykk av andre arveanlegg, pleiotrope effekter (gr. pleion – mange; trope – vende, påvirke flere enn en egenskap) hvor flere par med alleler samvirker. Epistasis har fått fornyet interesse i studiet av den genetiske årsak til flere sykdommer hos mennesker.
Avvikende krysningstall
Etter at Mendel krysningseksperimenter ble gjenoppdaget i år 1900 av Hugo de Vries, Carl Correns og Erich von Tschermak viste viste mange krysningsforsøk avvikende krysningstall fra Mendels erteplanter Mendel oppdaget uavhengig sortering av alleler ved monohybrid krysning gir krysningsforholdet 3:1 og ved dihybrid krysning 9:3:3:1. Den engelske genetikeren William Bateson (1861-1926) gjorde krysningsforsøk med både planter og dyr, og oppdaget ufullstendig dominans og intermediære virkning av alleler. De fleste genotyper er påvirket av flere gener hvor det ble funnet mange andre krysningstall for to gener, som 9:7, 9:4:3, 15:1, 9:6:1, 11:5, 7:6:3, 12:3:1 (dominant epistasis) , 13:3 (dominant og recessiv epistasis) og 63:1. Bateson var også den som innførte begrepene genetikk, homozygot, heterozygot, zygote,og det som vi i dag kaller alleler kalte han allelomorfe par. Punnet og Bateson fant koblete gener som holder sammen og ligger nær hverandre på kromosomene, eksperimentelt bekreftet av Thomas Hunt Morgan i krysningsforsøk med banenfluer (Drosophila melanogaster). Interaksjon og samvirke mellom genloki med forskjellig plassering i genomet som påvirker samme egenskap, multiple alleler, ble også undersøkt av den svenske genetikeren Herman Nilsson-Ehle (1873-1949) som studerte kvalitative og kvantitative egenskaper av polymere gener, polygen (gr. polys – mange; genes – avkom, styrt av flere gener).
avvikende forholdstall for Blomsterfarge hos erter
Bateson og Reginald Punnet (1875-1967) krysset to erteplanter med rene hvite blomster og fant i F1-generasjonen bare planter med røde blomster. Punnet er kjent for å ha utviklet Punnet-kvadratet eller Punnet-diagrammet som viser sannsynligheten for at avkommet har en spesiell genotype. Når F1-generasjonen (CcPp) ble krysset med hverandre fant de 382 rødblomstrete og 269 hvitblomstret, ca. forhold 9:7. (duplikat recessiv epistasis). Blomsterfarge er styrt av biosyntesen av antocyaniner, hvor to dominante alleler C og P koder for proteiner (enzymer) i biosynteseveien og de tilhørende recessive allelene c og p gir ikke-funksjonelle proteiner (enzymer). Det skjer uavhengig sortering av allelene C og P, og begge må være tilstede for å få røde erteblomster.
Hønekam og epistatis
Bateson og Punnett fant i genetiske studier av hønekam at fire kamformer (enkel kam, rosekam, ertekam, valnøttkam) skyldes interaksjon mellom to gener. Hønserasen Wyandott (RRpp) med rosekam, Brahma (rrPP) med ertekam, og Leghom (rrpp) med enkel kam. En krysning mellom Wyandott og Brahma ga i F1-generasjonen (RrPp) bare valnøttkam (R_P_). Når F1-generasjonen med to valnøttkam som ble krysset med hverandre ga dette avkom i forholdet 9 valnøttkam: 3 rosekam: 3 ertekam: 1 enkel kam. Genet P virker som ertekamallel (rrP_), R som rosekamallel gir rosekam som R_pp, mens R_P_ gir hvalnøttkam. Selv om en slik krysning gir forholdet 9:3:3:1 som ved dihybrid krysning, så har det her en annen årsak via epistasis.
Andre egenskaper med avvikende krysningstall som skyldes epistasis som Bateson undersøkte er fargen på aleuronlaget hos hvetekorn eller blomsterfargen hos Primula. Fargen på pelsen hos .hestepels kan forklares med epistasis. Det samme gjelder forskjellig veksthastighet av pollenslanger.
Bateson, W: Mendel´s principles of heredity. Cambridge University Press, 1909.
Kloroplastgener og avvikende forholdstall
Den tyske botanikeren og genetikeren Erwin Baur (1875-1933) utførte mange kryssingsforsøk med løvemunn (Antirrhinum majus) som ble et yndet forskningsobjekt i genetisk studier av blomsterfarger. Han identifiserte også et letal-gen hos løvemunn. I studiet med klorofyllmutanter av pelargonium (geranium) fant Baur at kloroplaster inneholder gener som kan mutere, og nedarving av egenskaper kodet av kloroplastgener gir avvik fra Mendels forholdstall. Noe som skyldes at både mitokondrier og kloroplaster ofte bare nedarves via morplanten, men noen planter har avvik fra dette mønsteret.