[일반생물학실험]호밀 이삭을 이용한 각 시기별 감수 분열 관찰 1부

실험 목적

호밀 이삭을 통해 감수 분열을 각 시기별로 관찰해보자.

 

실험 이론 및 원리

1. 감수 분열

생식세포를 만들기 위한 진핵생물의 세포 분열 형태 중 하나로, 동물의 난자, 정자 등 생식세포 형성 과정에서 일어난다. 난세포가 정자와 합체해 만든 새로운 개체인 세포의 염색체 수는 두 배가 된다. 그러나 생물의 염색체 수는 종류에 따라 일정하며, 어미와 자식 사이에 차이가 없다. 이는 반수체인 정자와 난자가 수정을 통해 다시 이배체가 되어 염색체 수를 일정하게 보존하는 것이다. 또한, 2n의 염색체를 갖는 1개의 모세포로부터 n개의 염색체를 갖는 4개의 딸세포를 형성한다.

2. 감수 분열 과정

1) 제 1 감수분열

① 간기 : 핵 안에 들어 있는 DNA가 복제되어 2배로 증가하고, 세포 분열에 필요한 물질들이 합성되는 시기이다.

② 전기 : 체세포 분열처럼 중심체의 이동, 방추사 형성, 핵막 소실 현상이 일어난다. 점점 염색체가 응축되고, 각 상동염색체가 쌍을 이루게 되어 유전자들이 하나씩 맞춰 배열된다. 따라서 교차점이 발생하게 되고, 비자매염색분체의 DNA 분자가 단백질에 의해 절단되어 다른 분체와 연결되는 기작을 보인다. 전기가 거의 다 끝나가면, 극에서 온 미세소관은 각 상동쌍의 동원체에 있는 방추사부착점에 부착되고, 상동쌍을 적도판 쪽으로 이동시킨다.

③ 중기 : 상동염색체 쌍은 하나의 염색체가 각각 다른 극 쪽을 향하면서 적도판에 정렬되고, 한 상동염색체의 두 염색 분체는 모두 한 쪽 극에서 온 동원체 방추사부착점 미세소관과 부착되어 있다.

④ 후기 : 자매염색분체가 염색분체의 팔을 따라 붙어 있도록 해주는 단백질의 분해로 상동염색체 쌍이 서로 분리된다. 또한 상동염색체가 극 쪽으로 이동하게 되고, 동원체에 의해 자매염색분체의 접합이 지속되기 때문에 염색분체가 하나의 단위로 같은 극으로 끌려나가도록 한다.

⑤ 말기 : 말기로 접하면, 세포의 반쪽 각각은 완전한 반수체 세트의 복제된 염색체들을 가지게 된다. 각 염색체는 두 개의 자매염색분체로 구성되어 있고, 비자매염색분체 DNA를 일부 가진다. 세포질 분열은 말기와 동시에 이루어져 두 개의 반수체 딸세포를 형성하게 되며, 동물세포는 분할구를 형성하고, 식물세포에서는 세포판이 형성된다.

 

2) 제 2 감수분열

① 전기 : 방추사가 형성되고, 염색체는 아직 두 개의 염색분체로 구성되어 있고 동원체에 연결되어 적도판 쪽으로 미세소관에 의해 다시 이동된다.

② 중기 : 염색체는 체세포 분열과 유사하게 적도판에 배열되고, 제 1 감수분열에서 일어난 교차 때문에 두 개의 자매염색분체는 유전적으로 동일하지 않다. 자매염색분체의 동원체 방추사부착점은 미세소관에 부착되어 있다.

③ 후기 : 동원체에서 자매염색분체를 붙들고 있는 코헤신 단백질 분해로 염색분체도 분리된다.

④ 말기 : 핵이 다시 형성되고 반수체 딸세포가 4개가 된다. 4개의 각 딸세포는 다른 딸세포 및 부모 세포와 유전적으로 동일하지 않고, 세포질 분열이 일어나기 시작한다.

 

3. 제 1 감수분열 전기에서 교차가 일어나는 과정

1) 간기가 지나게 되면, 염색체가 복제되어 자매염색분체가 코헤신 단백질에 의해 붙어 있다. 각 상동쌍은 길게 연결되어 있으며 두 개의 비자매염색분체의 DNA 분자에서 정확히 대응되는 부위가 잘린다. 염색질은 응축하기 시작한다.

2) 접합 복합체가 형성되기 시작하여 상동염색체가 다른 상동염색체에 서로 부착된다. 염색질은 계속해서 응축된다.

3) 접합 복합체가 완성되고, 접합 동안에 DNA는 끊어지고 각 끊어진 말단이 비염색분체의 해당되는 부위와 연결되 교차(cross)가 형성된다.

4) 접합복합체가 해체된 후 상동쌍은 서로 약간 떨어지지만 여전히 붙어 있다. 교차가 일어난 지점을 교차점이라고 부르며 염색체는 더욱 응축되어 적도판으로 이동하게 된다. 또한 교차가 일어날 때, 상동 염색체의 염색 분체를 구성하는 DNA가 서로 잘린 후 위치가 교환되고 잘려진 부분의 DNA가 합성된다.

 

4. 체세포분열과 감수분열 비교

구분	체세포 분열	감수 분열
DNA 복제	간기 1회	감수 1분열 전 간기 1회
분열 횟수	1회	2회
상동 염색체의 접합	일어나지 않음.	일어남.(2가 염색체 형성)
딸세포의 수	2개	4개
염색체 수 변화	2n → 2n	2n → n
기능	세포 증식(생장, 재생)	생식 세포 형성

체세포 분열에서는 S기에 DNA를 복제하여 DNA 양이 2배로 증가하고, 말기에 반으로 감소하게 되어 딸세포의 DNA 양은 모세포와 같으나, 감수 분열에서는 간기 때 DNA양이 2배로 증가하고 감수 1분열, 2분열 말기에 각각 반으로 감소하기 때문에 딸세포의 DNA 양은 모세포의 절반이 된다.

5. 감수분열에도 결점은 있다

상황에 따라서 상동염색체들이 적절히 분배되지 않는 비분리 현상이 일어나기도 한다. 이러한 결과로 어떤 반수체들은 특정 염색체가 부족하고, 다른 몇몇은 하나 이상의 염색체를 더 가지게 된다. 이 배우자들이 수정하게 되면 비정상적인 배아를 형성해 결국 다음 자손이 죽게 되는 경우도 있다. 예를 들어서, 21번 염색체가 한 개 더 추가되는 경우에 다운증후군이라는 정신지체 현상이 나타난다. 이는 21번 염색체에 3개의 염색체를 지니게 되어 배아의 정상적인 발생을 방해한다.

 

6. 호밀 이삭

호밀 이삭은 여러 개의 낱꽃으로 이루어져 있으며, 각 낱 꽃 아랫부분에는 3개의 꽃밥이 들어 있다. 감수분열 용 꽃밥을 관찰하면 불투명한 흰색으로 관찰되고, 꽃밥은 4개의 소포자낭으로 구성되며, 각 소포자낭에는 여러 개의 소포자가 들어 있다. 이 소포자는 생식세포 분열 과정을 통하여 화분(꽃가루)로 발달하게 된다.

보통 하나의 낱 꽃에 포함된 모든 생식세포는 거의 동시에 분열이 일어나기 때문에 분열 단계가 거의 비슷하다. 체세포 분열 같은 경우, 모든 시기를 관찰하는 게 수월하였으나, 호밀 이삭의 감수분열 관찰에서는 1개의 프레파라트에서 보통 감수분열 1~3가지 정도만을 관찰할 수 있다.

 

주의 사항

1. 기기 사용시 주의 사항

1) 현미경

① 해상력

대물렌즈의 전면에 지문이 묻어 있으면 빛이 흩어지므로 큰 대조를 가진 표본의 재생산이 방해받을 수 있다. 이러한 경우에는 대물렌즈와 표본을 깨끗하게 하기 위해서 에테르와 에탄올을 7:3 비율로 혼합해서 깨끗이 씻어줘야 한다. 또한 커버 슬립이 올바른 두께를 지니고 있는지 확인해야할 필요가 있다. 왜냐하면 커버 슬립은 대물렌즈의 복잡한 계산 과정에 고려되어 있으므로, 표준치와 다른 두께의 것을 사용하면 렌즈에 맺히는 상의 질이 개구수가 큰 경우 훼손된다.

② 사용 후 광원의 전원을 끌 시에는 전원의 밝기를 최소로 한 상태에서 전원을 끄도록 한다.

③ 재물대에서 슬라이드 글라스를 빼내고, 전기코드를 잘 접어 바닥 몸통 근처에 놓는다.

 

2) 프레파라트 제작

① 커버 글라스를 덮을 때 기포가 들어가지 않도록 주의한다.

② 해부침으로 세포를 잘게 찢을 때, 조직을 넓고 얇게 펼쳐 놓는다.

③ 염색을 완료하고 커버 글라스를 덮은 후, 조직을 넓게 펴기 위해 손으로 살살 압착해준다.

④ 꽃밥에서 불투명한 흰색 부위만을 면도칼로 잘라 내어 실험에 사용한다.

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