《C4连锁遗传Linkag》PPT课件.ppt

第四节 连锁 (Linkage) 宣劲松 北京科技大学 本节重点： 1、细胞的减数分裂：概念、特点和意义； 2、连锁遗传； 2、交换值及其测定； 3、基因定位和连锁遗传图。 一、细胞的减数分裂 (meiosis) (一) 减数分裂过程 1、概念 减数分裂(meiosis)：是性母细胞成熟时 配子形成过程中发生的一种特殊有丝分裂使 体细胞的染色体数目减半。例如： 水稻2n=24、玉米2n=20、茶树2n=30 减数分 裂 n=12 n=10 n=15 n(卵) + n(精) 2n(体) 受精作用可保证物种染色体数恒定。 2、减数分裂的过程： 由两次连续分裂构成，通常称为第一 次减数分裂(M1)和第二次减数分裂(M2) ，它们都可以划分为前、中、后、末4个 连续的时期。习惯上，以前期I、中期I、 前期II、中期II等来表示。 (一) 第一次减数分裂 (1) 前期I (prophase I) 第一次减数分裂的前期为时最长，大约 占全部减数分裂时间的1/2强，可分为5 个时期：细线期、偶线期、粗线期、双线 期、浓缩期。 细线期(leptotene)：虽然染色体已 在间期时复制，每一染色体已含有两染色 单体，但在细线期还看不出它的双重性。 偶线期(zygotene)：两个同源染色体彼 此靠拢，进行准确地配对，称为联会 (synapsis) 。原来是2n条染色体，经配 对后形成n组染色体，每一组合有2条同源 染色体，这种配对的染色体叫做二价体 (bivalent)。 粗线期(pachytene)：联会的染色体继 续缩短变粗，同源染色体的对数等于n。 每个二价体包含4条染色单体，其中每 条染色体的两条染色单体互称为姊妹染色 单体(sister chromatid)，对其同源染色 体的另两条染色单体则为非姊妹染色单体 (non-sister chromatid)。 双线期(diplotene)：双价体中的两条同 源染色体开始分开，但分开不完全，并不 形成两个独立的单价体，而是在两个同源 染色体之间仍有若干处发生交叉而相互连 接。交叉的地方实际上是染色单体发生了 交换的结果(见图)。 浓缩期(diakinesis)：两条同源染色体 仍有交叉联系着，所以仍为n个双价体。 染色体变得更为粗短，螺旋化达到最高度 ，双价体开始向赤道面移动，分裂进入中 期I。 此时是染色体计数的最好时期。 (2) 中期I 各个二价体排列在赤道面上，两个同源 染色体上的着丝粒逐渐远离，双价体开始 分离，但仍有交叉联系着。 这时期不同对的染色体排列方式将决定 着随后非同源染色体的自由组合。 (3) 后期I 二价体中的两条同源染色体彼此分离， 分别向两极移动，每一染色体有两个染色 单体，在着丝粒区相连(相当于有丝分裂 前期的一条染色体)。这样，每一极得到n 条染色体，即在后期I时染色体数目减半 。双价体中哪一条染色体移向哪一极是完 全随机的。 中期I 后期I (4) 末期I 核膜重建，核仁重新形成，接着进行胞质分 裂，成为两个子细胞。 末期I的染色体只有n个，但每个染色体具有 两条染色单体；而有丝分裂末期的染色体数为 2n个，每个染色体只有一条染色单体。 有的生物没有末期I，而由后期I直接进入第 二次分裂的前期或中期。 末期I (二) 第二次减数分裂 前期II、中期II、后期II和末期II的情 况和有丝分裂过程完全一样，也是每一染 色体具有两条染色单体，所不同的是染色 体在第一次分裂过程中已经减数，只有n 个染色体了。 3、减数分裂的意义 (1)减数分裂是有性生殖生物产生性细胞所进 行的细胞分裂方式，是生物生活周期和配子 形成过程中必要阶段；而两性性细胞受精结 合(细胞融合)产生的合子是后代个体的起始 点。 (2)减数分裂不仅是生物有性繁殖必不可少的 环节之一，也具有极为重要的遗传学意义。 保证了亲代与子代之间染色体数目的恒定性。 双亲性母细胞(2n)经过减数分裂产生性细胞 (n)，实现了染色体数目的减半； 雌雄性细胞融合产生的合子(及其所发育形成 的后代个体)就具有该物种固有的染色体数目 (2n)，保持了物种的相对稳定。子代的性状 遗传和发育得以正常进行。 为生物的变异提供了重要的物质基础。 在中期I各对同源染色体排列在赤道板上， 在后期I染色体是随机分别拉向二极自由组合 。 n 对染色体，非同源染色体分离时的可 能组合数为2n，如： 如： 水稻n=12，故组合数为2n = 212 = 4096 ； 茶n=15，组合数为215 = 32768。 各对同源染色体的非姐妹染色单体间片 断可发生各种方式的交换可为生物变异 提供物质基础利于生物生存及进化为 人工选择提供材料。 二、连锁 (Linkage) 1900年孟德尔遗传规律重新发现以后，生 物界广泛重视，进行了大量试验。 其中有些属于两对性状的遗传结果不符合自 由组合规律摩尔根以果蝇为材料进行深入细 致研究提出连锁遗传规律创立基因论认 为基因成直线排列在染色体上，进一步发展为 细胞遗传学。 (一) 性状连锁遗传的发现 1906年，贝特 生(Bateson W.) 和贝拉特(Punnett R. C.) 在香豌豆的 二对性状杂交试验 中首先发现性状 连锁遗传现象。 第一个试验： P 紫花、长花粉粒(PPLL) 红花、圆花粉粒(ppll) F1 紫、长PpLl F2 紫长 紫圆 红长 红圆 P_L_ P_ll ppL_ ppll 总数 实际个体数 4831 390 393 1338 6952 按9:3:3:1推算3910.5 1303.5 1303.5 434.5 6952 以上结果表明F2： 同样出现四种表现型； 不符合9:3:3:1； 亲本组合数偏多，重新组合数偏少(与理论数相比)。 第二个试验： P 紫花、圆花粉粒(PPll) 红花、长花粉粒(ppLL) F1 紫、长PpLl F2 紫长 紫圆 红长 红圆 P_L_ P_ll ppL_ ppll 总数 实际个体数 226 95 97 1 419 按9:3:3:1推算 235.8 78.5 78.5 26.2 419 结果与第一个试验情况相同。 连锁遗传(linkage)：原来亲本所具有 的两个性状，在F2连系在一起遗传的现象 。 (二) 连锁遗传的解释 试验结果是否受分离规律支配？ 第一个试验： 紫花:红花 (4831+390):(1338+393)=5221:1731 3:1 长花粉:短花粉 (4831+393):(1338+390)=5224:1728 3:1 第二个试验： 紫花:红花 (226+95):(97+1)=321:98 3:1 长花粉:短花粉 (226+97):(95+1)=323:96 3:1 以上结果都受分离规律支配，但不符合自由组合规律。 F2不符合9:3:3:1，则说明F1产生的四种配子不等。 因为测交后代的表现型种类以及比例可反映出F1配子的 种类和比例，因此可用测交法加以验证。 利用测交法验证连锁遗传现象: 特点：连锁遗传的表现为： 两个亲本型配子数是相等，50%； 两个重组型配子数相等，50%。 摩尔根(Morgan T. H.)等以果蝇为材料进行测交的结果： 红眼长翅pr+pr+vg+vg+ 紫眼正常翅prprvgvg F1 红眼长翅 紫眼正常翅 pr+prvg+vg prprvgvg 配子 pr+vg+ prvg+ pr+vg prvg prvg Ft pr+prvg+vg prprvg+vg pr+prvgvg prprvgvg 红眼长翅 紫眼长翅 红眼正常翅 紫眼正常翅 总数 个数 1339 154 151 1195 2839 结果：亲本组合=(1339+1195)/2839)100%=89.26% 重新组合=(154+151)/2839)100%=10.74% 证实F1所成的四种配子数不等，两种亲型配子多，两种 重组型少，分别接近1:1。 (三) 完全连锁 (complete linkage) 和不完全连锁(incomplete linkage) 生物性状很多，控制这些性状的基因自 然也多，而生物的染色体数目有限必有许 多基因位于同一染色体上引起连锁遗传。 连锁(linkage)：若干非等位基因位于同一 染色体而发生连系遗传的现象。 完全连锁(complete linkage)：同源染色 体上非等位基因间不能发生非姐妹染色单体 之间的交换F1只产生两种亲型配子、其自 交或测交后代个体的表现型均为亲本组合。 非等位基因完全连锁的情形很少，一般 是不完全连锁。 不完全连锁(部分连锁，incomplete linkage)：F1可产生多种配子，后代出现新 性状的组合，但新组合较理论数为少。 如玉米颜色基因Cc和籽粒饱满度基因 Shsh是位于玉米第9对染色体上的两对不完 全连锁的非等位基因。 二、交换 (crossing-over) 现已知F1重组型配子是由于交换的结果， 连锁交换是生物界的普遍现象。 1、交换(crossing-over)：成对染色体非 姐妹染色单体间的同源区段间发生交换， 而使原来在同一染色体上的基因不再伴同 遗传的现象。 2、交换的过程：杂种减数分裂时期(前期I 的粗线期)。 3、根据染色体细胞学行为和基因位置上的 变化关系可以说明连锁和交换的实质。 例如玉米有色饱满基因： (1) 基因在染色体上呈直线排 列； (2) 等位基因位于一对同源染 色体的两个不同成员上； (3) 同源染色体上有两对处于 不同位置上的非等位基因； (4) 减数分裂前期I的偶线期 中各对同源染色体配对(联 会) 粗线期已形成四合体 双线期同源染色体出现交 叉非姐妹染色单体粗线期 时发生交换随机分配到子 细胞内发育成配子。 在全部孢母细胞中，各联会的同源染色体在C与Sh基 因间不可能全部都发生交换，故重组率50%； 例如玉米F1的100个孢母细胞中，交换发生在Cc和 Shsh相连区段之内的有7个，则重组率为3.5 %。 亲本组合=(193+193)/400)100%=96.5% 重新组合=(7+7)/400)100%=3.5% 两对连锁基因间发生交换的孢母细胞的百分率，恰是交 换配子(重组型配子)百分率的两倍。 亲型配子重组型配子 CShcshCshcSh 93个孢母细胞不发生交换934=372个配子 7个孢母细胞发生交换74=28个配子 总配子数 186 7 193 186 7 193 7 7 7 7 4、发生交换的一般规律 连锁遗传也可以发生基因重组，是变异的来源 之一。连锁交换也可产生各类配子，只是亲本 型配子居多，重组型配子较少。 交换的配子数总是少于亲型配子数，其所占的 比例一定低于50。 交换的配子比例是交换的性母细胞比例的一半 。 交换不仅可以发生在基因与基因之间，也可在 基因的内部发生。 生物的交换一般是对等的，可也有不对等的， 从而导致染色体结构的变异。 同源染色体的基因间相距的远近可决定基因间 的交换率，相距越远，发生交换的概率越大。 连锁与交换定律： 位于同源染色体上的非等位基因在形成 配子时，多数随所在的染色体一起行动， 只产生亲型配子；若同源染色体上的非姊 妹染色单体之间发生了交换，就可产生少 数的重组型配子。 三、交换值及其测定 (一) 交换率 (重组率， crossing-over rate) 交换值(交换率，重组值，或重组率) ：指同源染色体非姐妹染色单体间有关基 因的染色体片段发生交换的频率，一般利 用重新组合配子数占总配子数的百分率进 行估算。 交换值(%)=(重新组合配子数/总配子 数)100 由于交换值具有相对稳定性，常以该数值表 示两个基因在同一染色体上的相对距离(遗传距 离)。 遗传单位值愈大，两基因间距离愈远，愈易 交换。 基因间距离：交换率去掉百分号即为两基因 间的距离，其单位为cM。例如：3.6%即可称 为3.6个遗传单位。 cM：厘摩(centi Morgan)，是基因交换单位。 当两基因间的重组效率为1时，遗传图上这两 个基因之间的距离即为1cM。 (二) 交换率的测定 1、测交法 先用两对基因的杂合体进行测交，然后从测交后代 中计算交换率： 交换值(%)=(Ft交换型个体数/Ft总个体数)100 2、自交法 例如 香豌豆： F2有四种表现型 紫长 紫圆 红长 红圆 F1有四种配子 PL Pl pL pl 设各配子的比例为 a b c d F2组合为 (aPL bPl cpL dpl)2 其中F2中纯合双隐性ppll个体数即为d2； 既组成F2表现型ppll的F1配子必然是pl，其频率d 。 已知香豌豆ppll个体数为1338株(相引数)； 表现型比率= d2 =1338/6952100%=19.2% 。 F1 pl 配子频率= = 0.44 即44% 亲本型配子(pl PL)的频率相等，均为44%； 重组型配子(Pl pL)的频率各为(50 44)%=6%。 F1形成的四种配子比例为 44PL6pl6pL44pl 或0.440.060.060.44 交换值=6%2=12%两种重组型配子之和。 (三) 交换值与连锁强度的关系 交换值的幅度经常变化于050%之间： 当交换值0%，连锁强度越大，两个连锁 的非等位基因之间交换越少； 交换值50%，连锁强度越小，两个连锁 的非等位基因之间交换越大。 交换值的大小主要与基因间的距离远近 有关。 (四) 影响交换值的因子 1、性别：雄果蝇、雌蚕未发现染色体片断发生交换； 2、内外环境的变化，如、温度、射线、营养等； 如：家蚕第二对染色体上PS-Y(PS黑斑、Y幼虫黄色) 饲养温度() 30 28 26 23 19 交换值(%) 21.48 22.34 23.55 24.98 25.86 3、基因位于染色体上的部位： 离着丝点越近，其交换值越小，着丝点不发生交换 。 4、基因间距离； 5、其它：年龄、染色体畸变等也会影响交换值。 四、基因定位与连锁遗传图 (一) 基因定位 基因定位(gene localization)：利用杂交、 测交或自交，分别求出基因间的交换率和相对距 离，然后在染色体上确定基因间的排列顺序的过 程。两点测验和三点测验是基因定位可以采用的 两种方法。 基因在染色体上各有其一定的位置确定基因 的位置主要是确定基因间的距离和顺序基因之 间的距离是用交换值来表示的，准确地估算出交 换值确定基因在染色体上的相对位置把基因 标志在染色体上。 (二)两点测验 (two point test cross) 利用3次杂交、3次测交分别求出3对基因 间的交换率，然后进行基因定位的方法即 为两点测验法。 (三) 三点测验 (three point test cross) 通过一次涉及3对连锁基因的杂交和一次用隐性 亲本测交，同时测定三对基因在染色体上的位置 ，是基因定位最常用的方法。 特点： (1) 在同一环境条件下进行实验，避免了实验误差 ； (2) 通过一次试验可同时确定三对连锁基因的位置 ； (3)可纠正两点测验法的缺点，判明双交换的存在 ，使估算的交换值较为准确。 双交换(double crossover):是在一个性母细胞内 的一对染色体上同时发生两次单交换。 (1) 确定基因在染色体上的位置： 以玉米Cc、Shsh和Wxwx三对基因为例： P 凹陷 非糯 有色 饱满 糯性 无色 shsh + + + + + + wxwx cc F1 饱满 非糯 有色 凹陷 糯性 无色 +sh +wx +c shsh wxwx cc Ft表现型根据Ft表现型推知F1配子基因型粒数交换类别 饱满 糯性 无色 凹陷 非糯 有色 饱满 非糯无色 凹陷 糯性 有色 凹陷非糯无色 饱满 糯性 有色 饱满 非糯有色 凹陷 糯性 无色 wx c sh + + + + c sh wx + sh + c + wx + + + + sh wx c 2708 2538 626 601 113 116 4 2 亲型 亲型 单交换 单交换 单交换 单交换 双交换 双交换 总数6708 根据F1的染色体基因型有三种可能性： sh + + = wx在中间 + wx c + sh + = sh在中间 wx + c + + sh = c在中间 wx c + 单交换： 在三个连锁 基因之间仅发生了 一次交换 双交换： 在三个连锁 区段内，每个基因 之间都分别要发生 一次交换 Ft中亲型最多，发生双交换 的表现型个体数应该最少。 + wx c 和sh + + 亲型配子类 型 + + + 和sh wx c 双交换配子 类型 其它均为单交换配子类型 第种排列顺序才有可能出 现双交换配子。 + sh + = sh 在中间 wx + c 这三个连锁基因在染色体的位 置为wx sh c 。 sh + + = + wx c + sh + = wx + c + + sh = wx c + 关键是确定中间一个基因：可以最少 的双交换型与最多的亲型相比只有sh基 因发生了位置改变。 sh一定在中间。 (2) 确定基因之间的距离 估算交换值确定基因之间的距离。 由于每个双交换都包括两个单交换，估计两个单 交换值时， 应分别加上双交换值： 双交换值=(4+2)/6708)100% = 0.09% wx-sh间单交换=(601+626)/6708)100%) + 0.09% = 18.4% sh-c 间单交换=(116+113)/6708)100%) + 0.09% = 3.5% 三对连锁基因在染色体上的位置和距离确定如下： (三) 干扰与符合: 在染色体上，一个交换的发生是否影响另一个交换的发生? 根据概率理论，如单交换的发生是独立的，则 双交换= 单交换单交换 =0.1840.035100% = 0.64% 实际双交换值只有0.09%，说明存在干扰。 表示干扰程度通常用符合系数表示： 符合系数= 实际双交换值/理论双交换值 = 0.09 / 0.64 = 0.140，干扰严重。 符合系数常变动于01 之间。 符合系数等于1时，无干扰，两个单交换独立发生； 符合系数等于0时，表示完全干扰， 即一点发生交换后其邻近一点就不交换。 (四) 连锁遗传图 通过连续多次二点或三点测验， 可以确定位于同一染色体基因的 位置和距离可绘成连锁遗传图 。 连锁群：存在于同一染色体上的 全部基因。 一种生物连锁群数目与染色体对 数一致： 如：水稻 n=12 玉米n=10 大 麦n=7 连锁群数 12 10 7 绘制连锁遗传图： 以最先端基因为0，依次向下， 不断补充变动。位于最先端基因 之外的新发现基因应把0点让给 新基因，其余基因作相应变动。 五、真菌类的连锁和交换 高等生物和单倍体低等生物，均具有 连锁和交换现象。 红色面包霉属于子囊菌，具有核结构， 属真核生物。 特点：个体小、生长迅速、易于培养； 可进行无性生殖或有性生殖。 红色面包霉的无性世代是单倍体染 色体上各显性或隐性基因均可从表现型上 直接表现出来，便于观察和分析。 一次只分析一个减数分裂产物，方法 简便。 (1) 红色面包霉的遗传(n=7)： 有性生殖过程： +、- 接合型菌丝接合受精 子囊果的子囊菌丝细胞中形成二 倍体合子