《遗传常识》PPT课件.ppt

第四章 真核生物的染色体作图,本章要求 4.1 连锁与交换现象的发现 4.2 性状连锁遗传规律 4.3 连锁与交换的遗传分析 4.4 基因定位与连锁遗传图 4.5 粗糙链孢霉的遗传分析 4.6 人类染色体作图,本章要求,1. 掌握本章涉及的名词概念、连锁遗传规律的内容、交换值的测定方法、及连锁遗传规律的意义。 2. 了解连锁与交换的遗传机制，基因间距离、交换值、重组值、遗传距离及连锁强度的关系。 3. 能识别连锁遗传图上的基本信息。 4. 了解四分子分析与着丝点作图的基本原理。 5. 了解连锁遗传规律在育种工作中的应用。,根据遗传的染色体学说与独立分配规律： 位于非同源染色体上的非等位基因遗传时独立分配； 如果有一些基因位于同一染色体上，必然会出现非独立分配的现象，否则各种性状的数目(基因对数)就不能超过细胞内染色体对数。 W. Bateson(1906)在香豌豆两对相对性状杂交试验中发现连锁遗传(linkage)现象。 T. H. Morgan et al.(1910)提出连锁遗传规律以及连锁与交换的遗传机理，并创立基因论(theory of the gene)。,连锁遗传理论的由来,第一节 连锁与交换现象的发现,一、性状连锁遗传的表现 1.性状连锁遗传的表现 2.连锁遗传的验证及解释 3.完全连锁与拟等位基因 4.不完全连锁与重组 5.连锁群 二、连锁遗传的细胞学基础 1.基因交换的实验证明 2.交换发生的时间 3.交换与交叉的关系 4.交换的理论假设 5.重组的最大频率,T. H. Morgan 1866-1945,一、相引相的杂交试验,P 紫长PPLL 红圆ppll F1 紫长PpLl F2 紫长 P-L- 紫圆 P-ll 红长 ppL- 红圆 ppll O 284 21 21 74 E 225 75 75 25 X23 =189.27 X2 0.01(3)=11.34，差异极显著，表明实得数与理论数不相符。,两种不同的亲组合出现相似的结果：若按每一对单位性状考虑均符合3:1的分离比。Bateson和Punnett 推测这种现象是由于PL和pl两种亲本型配子多于Pl和pL两种重组型配子所致。,2.连锁遗传的验证测交法,P pr+pr+vg+vg+prprvgvg F1 pr+prvg+vgprprvgvg F2 基因型 表型 观察值 配子基因型 pr+prvg+vg + + 1339 + + prprvgvg prvg 1195 prvg pr+prvgvg + vg 151 + vg prprvg+vg pr + 154 pr +,P +vgvgprpr+ F1 +pr+vgprprvgvg F2 基因型 表型 观察值 配子基因型 +prvgvg + vg 965 + vg prpr+vg pr + 1067 pr + + + + + + + 157 + + prprvgvg pr vg 146 prvg,实验结论：F1形成四种类型的配子；但比例显然不符合1:1:1:1，且亲本类型配子明显多于重组型配子；两种亲本型配子数大致相等，两种重组型配子数也大致相等。,3.连锁遗传的解释,连锁遗传规律：连锁遗传的相对性状是由位于同一对染色体上的非等位基因间控制，具有连锁关系，在形成配子时倾向于连在一起传递；交换型配子是由于非姊妹染色单体间交换形成的。 控制果蝇眼色和翅长的两对非等位基因位于同一同源染色体上。即相引相中，pr+vg+连锁在一条染色体上，而prvg连锁在另一条染色体，杂种F1一对同源染色体分别具有pr+vg+和prvg；相斥相中亦然。,连锁遗传把不同性状常常联系在一起向后代传递的现象称为连锁遗传。 相引相不同显性基因或不同隐性基因相互联系在一起的基因构型称为相引相。如AB/ab 相斥相显性基因和隐性基因相互联系在一起的基因构型称为相斥相。如Ab/aB,连锁的本质 Bateson发现连锁遗传现象不久，Morgan用果蝇为材料，证明具有连锁关系的基因位于同一染色体上。这一点是很容易理解的，因为生物的基因有成千上万，而染色体只有几十条，所以一条染色体必须载荷许多基因。,第二节 连锁与交换定律的建立,一、完全连锁 (complete linkage)：指位于同一染色体上的非等位基因总是连在一起，永不分离而被传递到下一代，其遗传行为与一对基因相同，这种遗传现象称为完全连锁。,特点： 1、F1 AB/ab杂合体只产生两种亲本型配子 AB : ab = 1:1 2、F2将出现1：2：1比列分离的3种基因型。 完全连锁在生物界很少见，只在雄果蝇（XY）和雌家蚕（ZW）中发现（注意雌雄连锁不同）。 霍尔丹定律：凡是较少发生交换的个体必定是异配性别的个体。,二、不完全连锁（ incomplete linkage ）：指杂种个体的连锁基因在配子形成过程中同源染色体非姊妹染色单体之间发生交换而不表现出独立遗传的现象。,交换与不完全连锁的形成,重组合配子的产生是由于：减数分裂前期 I 同源染色体的非姊妹染色单体间发生了节段互换。(基因论的核心内容) 1. 同一染色体上的各个非等位基因在染色体上各有一定的位置，呈线性排列； 2. 染色体在间期进行复制后，每条染色体含两条姊妹染色单体，基因也随之复制； 3. 同源染色体联会、非姊妹染色单体节段互换，导致基因交换，产生交换型染色单体； 4. 发生交换的性母细胞中四种染色单体分配到四个子细胞中，发育成四种配子(两种亲本型、两种重组合型/交换型)。 5. 相邻两基因间发生断裂与交换的机会与基因间距离有关：基因间距离越大，断裂和交换的机会也越大。,连锁与交换的遗传机理,P F1 (复制) 同源染色体联会(偶线期) 非姊妹染色单体交换(偶线期到双线期) 终变期 四分体,交换在减数分裂期间同源染色体相互配对，同源染色体的非姐妹染色单体间偶尔会发生互换，其过程称为交换。 重组通过染色单体间的交换，产生新基因组合或染色体组合的过程称为重组。 染色体间重组 自由组合 染色体内重组 连锁交换,40细胞两对基因之间没发生交换,产生的两种配子为： AB : Ab 如果在60性母细胞中，两个基因座之间发生了非姊妹染色体间的交换，则产生的四种配子为： AB : Ab : aB : ab = 35 : 15 : 15 : 35 比如 AB 配子的比列 40%60% 20% 15%,问题 1 、如果在F1的性母细胞减数分裂时，有6%的细胞在连锁着的基因之间出现了交叉结，则表明在这6%的细胞中有总数的（ ）染色单体A、B在间发生过（ ）。所以这些F1个体在配子形成时将有（ ）重组型，（ ）亲本型。 2、减数分裂产生重组型配子的两个途径是（ ）、（ ） 。,三、连锁遗传的细胞学基础,1.基因交换的实验证明 Creightion和Mclintock的实验（p76） 2.交换发生的时间粗线期 3.交换与交叉的关系 交换：遗传学术语，是指等位基因交换座位，表现为连锁基因的重组。 交叉：是细胞学观察到的染色体交叉现象，这种现象只有在双线期同源染色体互斥，交叉点端化时才能观察到。实际上这时基因已经交换，交叉并不能表明交换的过程，而是交换的直接结果。,连锁群位于同一染色体上的所有基因组成一个连锁群。,第三节 基因定位与遗传学图,二、交换与重组率,连锁遗传规律： 连锁遗传就是指决定不同性状的这些基因位于同一对染色体上，在形成配子时不能实现非等位基因基因间的自由组合，从而倾向于连在一起传递。 交换型配子的形成是由于在基因座之间发生了非姊妹染色单体间的互换。染色体上的交换是随机发生的，所以两基因座相距越远，在它们之间发生交换的几率越大，重组型配子所占比例就约高。 一般情况下重组型配子占总配子数的比例50。（原因见下面） 重组率就是 F1 的重组型配子数占总配子数的百分比:,、一个发生交换的性母细胞形成的4个减数分裂产物将有一半是重组基因型。没有发生交换的性母细胞只产生亲本型。 、同源染色体非姊妹染色单体间发生交换是随机的，不可能所有的性母细胞在特定的两个基因之间发生交换。 、距离较远的两个基因之间可以同时发生两次交换，结果使所观察的两个基因仍处在同一染色体上。 所以，重组型配子数目只是少数。,一、重组值的测定 重组率就是 F1 的重组型配子数占总配子数的百分比: 1、测交法测交后代(Ft)的表现型的种类和比例直接反映被测个体(如F1)产生配子的种类和比例。,根据测交试验结果计算重组率,相斥相,2、自交法（x指双隐性纯合子的频率）,相引相,二、交换的特点,1、(可以假定)染色体上的交换通常是随机发生的，即在染色体的任何一处都有均等的机会发生交换。所以，两个基因座相距越远，在它们之间发生交换的几率就越大，重组型配子所占比例也就越高。 2、特定两个连锁基因间的重组率是相对恒定的。评价两个连锁基因通过交换而发生重组的指标叫交换值。如果两个连锁基因间的交换都是有效交换(即都能产生重组配子)，则在数值上，交换值=重组率。 故：交换值可以用来度量基因间的相对距离,通常把重组值称为交换值，实际上交换值不能等同于重组值，因为等位基因之间偶然会发生多重交换，多重交换的结果不一定形成重组型配子，用重组值代表交换值会造成偏低的估计。 (3)、交换发生时间：在减数分裂前期，两条同源染色体发生配对、联会时。 注意染色体交换与交叉的概念区别 (4)、交换发生在一对同源染色体四条染色单体中的任两条非姊妹染色单体之间。,三、重组值与遗传距离,在染色体图上，度量两基因间相对距离的数量单位叫遗传图距,简称图距（map distance） 1个图距单位 = 1的交换值 为了纪念T. H. Morgan发现连锁与互换定律，人们将图距单位称作厘摩 (Centimorgan, cM),1 cM = 1的交换值 通过在直线上标出同源染色体上各基因的排列顺序和两两相邻基因间的遗传图距 (cM) 而得到的简单线性示意图叫遗传图(genetic map),也叫染色体图 (chromosome map)，又叫连锁图 (linkage map)。,基因间的距离与 交换值、遗传距离、连锁强度,四、影响重组值的因素,1.基因在染色体上的位置。一般来说，越靠近染色体末端的基因其重组率越高。 2.基因之间的距离。基因之间相距越远，重组率越高；反之则相反。 3.重组型配子生活力的差异会影响重组率的估计。 4.减数分裂中同源染色体不能联会或联会不好，无法形成重组型配子或减少重组型配子产生的机会。 5.群体大小。当重组率很低时，在小群体中可能不会出现重组型个体，要准确估计重组率，足够数量的群体是必需的。 6.低温、辐射能使重组率提高。,7.激素。激素对重组率影响表现在雌雄个体重组率有差异。如雄果蝇的染色体不发生交换，不形成重组型配子，因此在果蝇的基因重组测定中，杂合亲本总是用雌果蝇。但在家蚕中却是雌蚕的染色体不发生交换（ZW）。 8.二价阳离子（如Ca2+、Mg2+等）也会影响重组率，过高会降低重组率，过低会提高重组率。 9.年龄及其它外部条件也会影响基因的重组率。,多次交换对重组率的影响,在两个非等位基因间只有发生奇数次交换才能产生重组配子,五、重组值和交换值的关系,所谓重组值是指生物体减数分裂形成配子过程中，由于同源染色体之间的交换作用形成了与亲本类型不同的配子，被称为重组型配子，而重组型配子占全部配子总数的比值，则称为重组值。 交换值是生物体减数分裂形成配子过程中，在同源染色体上的两位点之间发生交换的比值。在遗传学上，交换值的大小可以用来表示遗传距离的大小。,由于重组值可以通过后代表现类型进行测定，而交换值无法通过杂交后代直接观测。在遗传距离较短的情况下，可以用重组值代替交换值。在遗传距离较远的情况下，由于偶数次交换的存在，重组值往往会偏离交换值。两位点距离越远，重组值与交换值差别越大，此时可以通过校正公式，将重组值转换为交换值。,六、基因定位(gene location/localization),基因定位：确定基因在染色体上的相对位置和排列次序。 根据两个基因位点间的交换值能够确定两个基因间的相对距离，但并不能确定基因间的排列次序。 例：玉米糊粉层有色C/无色c基因、籽粒饱满Sh/凹陷sh基因均位于第九染色体上；且C-Sh基因间的交换值为3.6%。 因此一次基因定位工作常涉及三对或三对以上基因位置及相互关系。,连锁分析的方法,两点测验(two-point testcross) 通过三次测验，获得三对基因两两间交换值从而估计其遗传距离，每次测验两对基因间交换值，根据三个遗传距离推断三对基因间的排列次序。 三点测验(three-point testcross) 一次测验就考虑三对基因的差异，从而通过一次测验获得三对基因间的距离并确定其排列次序。,2.两点测验：步骤（1/3）,1. 通过三次亲本间两两杂交，杂种F1与双隐性亲本测交，考察测交子代的类型与比例。 例：玉米第9染色体上三对基因间连锁分析 子粒颜色： 有色(C)对无色(c)为显性； 饱满程度： 饱满(Sh)对凹陷(sh)为显性； 淀粉粒： 非糯性(Wx)对糯性(wx)为显性. (1).(CCShShccshsh)F1ccshsh (2).(wxwxShShWxWxshsh)F1wxwxshsh (3).(wxwxCCWxWxcc)F1 wxwxcc,2.两点测验：步骤（2/3）,2. 计算三对基因两两间的交换值估计基因间的遗传距离。,2.两点测验：步骤（3/3）,3. 根据基因间的遗传距离确定基因间的排列次序并作连锁遗传图谱。 Rf C-Sh= 3.6 Rf Wx-Sh =20 Rf Wx-C=22,两点测验的局限性,1.工作量大，需要作三次杂交，三次测交； 2.不能排除双交换的影响，准确性不够高。当两基因位点间超过五个遗传单位时，两点测验的准确性就不够高。,3.三点测验：步骤(1/7-2/7),1.用三对性状差异的两个纯系作亲本进行杂交、测交； P: 凹陷、非糯性、有色 饱满、糯性、无色 shsh + + + wxwx cc F1及测交: 饱满、非糯性、有色 凹陷、糯性、无色 +sh +wx +c shsh wxwx cc ? 2.考察测交后代的表现型、进行分类统计；判断基因之间是否连锁，是怎样连锁的。 在不完全连锁的情况下测交后代有多少种表现型？,3.三点测验：步骤(3/7-4/7),3. 按各类表现型的个体数，对测交后代进行分组； 4. 进一步确定两种亲本类型和两种双交换类；,3.三点测验：步骤(5/7),5.确定三对基因在染色体上的排列顺序； 用两种亲本型配子与两种双交换型配子比较，双交换配子与亲本型配子中不同的基因位点位于中间。 如：+wxc与shwxc相比只有sh位点不同，因此可以断定sh位点位于wx和c之间；同理，sh+与+相比也只有sh位点不同，也表明sh位点位于wx和c之间。,基因间排列顺序确定,3.三点测验：步骤(6/7),6. 计算基因间的交换值； 由于双交换实际上在两个区域均发生交换，所以在估算每个区域交换值时，都应加上双交换值，才能够正确地反映实际发生的交换频率。,7. 绘制连锁遗传图。 已知Sh位于wx与c之间； Rf C-Sh= 3.5% Rf Wx-Sh =18.4% Rf Wx-C=21.9%,三点测验与基因定位,七、干扰和符合,1. 理论双交换值 连锁与互换的机理表明：染色体上除着丝粒外，任何一点均有可能发生非姊妹染色单体间的交换。但是相邻两个交换是否会发生相互影响呢？ 如果相邻两交换间互不影响，即交换独立发生，那么根据乘法定理，双交换发生的理论频率(理论双交换值)应该是两个区域交换频率(交换值)的乘积。 例：wxshc三点测验中，wx和c基因间理论双交换值应为： 0.1840.035=0.64%。,2. 干扰(interference)： 测交试验的结果表明：wx和c基因间的实际双交换值为0.09，低于理论双交换值，这是由于wx-sh间或sh-c间一旦发生一次交换后就会影响另一区域交换的发生，使双交换的频率下降。这种现象称为干扰(interference)，或干涉。 一个交换发生后，它往往会影响其邻近交换的发生。其结果是使实际双交换值不等于理论双交换值。 为了度量两次交换间相互影响的程度，提出了符合系数的概念。,3.符合系数(coefficient of coincidence)，也称为并发系数，用以衡量两次交换间相互影响的性质和程度。 如前例 符合系数=0.09/0.64=0.14。 符合系数的性质： 真核生物：0, 1正干扰； 某些微生物中往往大于1，称为负干扰。,粗糙链孢霉的遗传分析,一、红色面包霉的特点 二、四分子分析与着丝点作图 三、红色面包霉的连锁与交换,一、 红色面包霉的特点,红色面包霉(真菌类)的特点： 易于繁殖、培养、管理； 可直接观察基因表现，无需测交； 可获得、分析单次减数分裂的结果等。 红色面包霉减数分裂特点： 每次减数分裂结果(四个分生孢子，或其有丝分裂产生的八个子囊孢子)都保存在一个子囊中； 四分子或八分子在子囊中呈直线排列直列四分子，直列八分子，具有严格的顺序。,二、四分子分析与着丝点作图,四分子分析(tetrad analysis)指根据一个子囊中四个按严格顺序直线排列的四分子(或其有丝分裂产物子囊孢子)表现进行的遗传分析，也称为直列四分子分析。 非直列四分子分析：四分子没有严格排列顺序，如酵母菌,二、四分子分析与着丝点作图,着丝点作图(centromere mapping)： 如果减数分裂过程中，基因位点与着丝点间不发生非姊妹染色单体间交换，一对等位基因分离产生的两种类型的孢子将分别排列在子囊的两端； 如果发生交换将产生不同的排列方式。可根据子囊中孢子排列方式判断该次减数分裂是否发生交换，并计算交换值； 该交换值为基因与着丝点间的交换值，因此可估计基因位点与着丝点间遗传距离，并进行连锁作图，称着丝点作图。,三、红色面包霉的连锁与交换,红色面包霉有一个与赖氨酸合成有关的基因(lys)： 野生型能够合成赖氨酸，记为lys+，能在基本培养基(不含赖氨酸)上正常生长，成熟子囊孢子呈黑色； 突变型不能合成赖氨酸，称为赖氨酸缺陷型，记为lys，在基本培养基上生长缓慢，子囊孢子成熟较迟，呈灰色。 用不同接合型的lys+和lys-杂交，可预期八个孢子中lys+和lys-呈4:4的比例，事实也是如此。 在对子囊进行镜检时发现子中lys+和lys-有六种排列方式。,六种子囊孢子排列方式,六种子囊孢子排列方式,第一次分裂分离与第二次分裂分离,(1-2)两种排列方式：野生型lys+和突变型lys-在 AI 彼此分离，称第一次分裂分离(first division segregation)。 着丝粒和lys基因位点间不发生非姊妹染色单体交换，因此这两种子囊类型就是非交换型子囊。 (3-6)四种排列方式：第一分裂产物中野生型与突变型未发生分离，野生型和突变型 AII 发生分离，称第二次分裂分离(second division segregation)。 着丝粒与基因位点间发生非姊妹染色单体交换，因此这四种子囊均为交换型子囊。,非交换型、交换型子囊的形成,着丝点距离与着丝点作图,将着丝点当作一个基因位点看待，计算基因位点与着丝点间的交换值，估计基因与着丝点间的遗传距离，称为着丝点距离。 每个交换型子囊中，基因位点与着丝粒间发生一次交换，其中半数孢子是重组型(重组型配子)。因此，交换值的计算公式为：,RF（着丝粒- Lys) = (9+5+10+16) / (105+129+9+5+10+16） 0.5 100%=7.3%,两个连锁基因的作图 1、子囊的类型 在粗糙脉孢霉中有烟酸依赖型 (n) 和腺嘌呤依赖型 (a) 两种突变体，这两个基因位于同一条染色体上（是连锁的）。 用烟酸依赖型(n)与腺嘌呤依赖型(a)杂交(n)(a),杂合子(n/a) 产生 36 种子囊型(下表)：,两对基因杂交，如不考虑孢子排列，只考虑性状组合时，子囊可以分为3种四分子类型。 亲二型(parental ditype , PD)，有两种基因型，并与亲代相同。包括子囊型和。 非亲二型(non-parental ditype ,NPD)，有两种基因型都跟亲代不同，是重组型。包括子囊型和。 四型（tetratype, T），有四种基因型，2种与亲代相同，2种重组型，包括子囊型、和。,交换类型,染色体图象,重组,四分子类型,子囊型,无交换, a,0%,a ，a , n , n,(PD),四 线 双交换,100%, , na , na,NPD,单交换, a,n , a,n ,50%, , a , n , na,(T),第一步、按7种基本子囊型对子囊进行归类计数。 第二步、分别标出各种子囊型中每对基因的分离类型。 第三步、分别求出着丝粒与每对基因之间的交换值： 基因间的交换值 M型/(M型M) 100% n间的交换值(5901 5)/1000 100%5.05% a间的交换值(909015)/1000100%9.3%,如果两个基因是自由组合的话，则PDNPD=11 而实验结果PD=808+90=898，NPD=1+1=2，PD远远大于NPD。说明这两个基因是相互连锁的。,哪一种排列正确呢？,如果我们把资料用另一种方式排列，得下表：,按照分离时期排列,nic / /ade 子囊数,MI MI MII MII,MI MII MI MII,(808+1) 809 (90)90 (5)5 (90+5+1)96,RF(nic)=5.05%,RF(ade)=9.30%,若n和a各自独立的与着丝粒发生交换的话，则MII的子囊数应为9.30%(a)5.05%(n)1.841 事实上：交换发生在着丝粒与ade间，n是MI,a是MII的子囊有90个。交换发生在着丝粒与n间，n是MII ，a是MI的子囊只有5个。比例相差悬殊，所以这两个基因处在着丝粒的同一侧。 另从上表可见，在n与着丝粒发生交换时，a基因也一道与着丝粒发生了交换。即n是MII ，a也是MII共计96（=90+1+5)个子囊。,同一交换使/n出现MII型分离，也使/a出现MII型分离，101次中有96次，证明n,a在着丝粒的同一侧。, a n a n ,被低估的重组值从下表的分析 可以将a间的重组值得到校正,第五节 人类染色体作图,物理作图（Physical mapping):是从DNA分子水平制作基因图。它表示不同基因（包括遗传标记）在染色体上的实际距离，是以碱基对为衡量标准，所以物理图谱最终是以精确的DNA碱基对顺序来表达，从而说明基因的分子结构。,遗传作图(genetic mapping)是以研究家族的减数分裂，以了解两个基因分离的趋势为基础来绘制基因座位间的距离，它表明基因之间连锁关系和相对距离，并以重组率来计算和表示。,一、家系分析法 通过分析、统计家系中有关性状的连锁情况和重组率进行基因定位的方法。 、性连锁基因的定位 1、如果性状只出现在男性，则可以将决定这个性状的基因定位在Y染色体上。（注意限性遗传）,2、X连锁基因的定位 、确定两个基因的连锁关系。如果两个基因都表现为隔代交叉遗传，则可以判定控制这两个性状的基因都在X染色体上。 、外祖父法 对于X染色体上的基因来说，只需要知道母亲的基因型为双重杂合体，即可以根据双重杂合体的母亲所生儿子中有关性状的重组情况估计出重组率（因为Y染色体不含此基因，即相当于隐性），而母亲X染色体上的基因组成，可以由外祖父的表型得知，因此这种基因定位的方法称为外祖父法。,外祖父法的原理： 对于X染色体上的基因决定的性状遗传，有： 儿子的表型类型和比例母亲的配子类型和比例 外祖父表型双杂合母亲是顺式还是反式双杂合体区分出亲本型和重组型的儿子表型推论出双杂合母亲的配子类型和比例估算出X染色体上连锁基因间交换值或遗传图距的目的。,由于儿子的表型类型和比例母亲的配子类型和比例,可用X染色体上双杂合母亲的母子分析估算交换值。如选定Xa作为标志，分析g基因是否与之连锁: 母亲:XAgXaG 儿子:XAgY、XaGY、XAGY、XagY,(G_) 母亲:XAGXag 儿子:XAGY、XagY、XAgY、XaGY,(G_) 母亲:XAXaGg儿子:XAYG_、XAYgg、XaYG_、XaYgg,外祖父法的分析步骤 .寻找双隐性男子,收集母亲为双