（应用数学专业论文）位串模型中显性基因对群体演化的影响.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 多倍化是自然界普遍存在的现象，自然界及人工的多倍体动植物也普遍存在。染色 体组的多倍化是推动植物进化的一个重要因素，是物种形成的重要途径之一。本文首先介 绍了自然界中的生物多倍体现象以及自然发生和人工诱导的多倍体，还简要描述了其繁 殖机制，从而抽象出多倍体的繁殖方式，再结合引入有性p e r m a 模型，建立起多倍体的 p e n n a 模型，制定繁殖机制，使任意两个性成熟个体无论它们是几倍体都可以随机结合， 繁殖出相应的后代，进而形成群体的演化。将建立的多倍体模型与单倍体、二倍体模型 进行定性的比较，发现它们在本质上的相似点。在相同的外界条件和参数下，我们要观 察基因位串的每一位的显隐性对群体动态稳定时的倍数所起到的作用。为了使计算在可 执行的时间内，设定1 6 位长的基因串，使用p e r m a 模型的参数，并设定多倍体上限和 初始的多倍体分布比例，从而制定出数值计算方法，通过计算机模拟，计算出每一种位 串显隐性分布情况对应的种群演化倍数。在处理数据结果时引入每一个基因位的影响 力，f ( 1 s f s l 6 ) ，通过f 的值体现每一位的呈显性时对最终群体平均基因串倍数的影响 程度。通过比较发现，基因串第2 ，3 ，4 位的f 值明显比其它位小，并且这三个值很接 近，而第1 位却和其它的几位的f 值彼此间很接近，即第2 至5 位的显隐性对群体稳定 时基因串倍数的影响能力最大。 本文第一部分介绍自然界和人工状态下的多倍体生物现象，第二部分着重介绍 p e n n a 模型及多倍体p e n n a 模型的发展现状，第三部分建立多倍体的p e n n a 模型，确定 计算方法、计算出数值，并对计算结果进行分析，对影响力、灭绝比例等指标进行考察， 并改进算法计算出更进一步精确的结果。 关键词：多倍体；p e n n a 模型；多倍体p e n n a 模型；显性基因；影响力 位串模型中显性基因对群体演化的影响 弧ei n f l u e n c ef r o mt h ed i s t r i b u t i o no fd o m i n a n ta l l e l eo nt 1 1 ee v o l v e m e n t o tc o l o n yi nr e n e - s t r m rm o d e l a b s t ra c t ap o l y p l o i d yi sa l lo r g a n i s mw i t hm o r et h a nt w os e t so fc h r o m o s o m e s ，t h ep o l y p l o i d s p e c i e ss p r e a da b r o a d p o l y p l o i do fc h r o m o s o m e si m p r o v et h ee v o l v e m e n to fo r g a n i s m ，a n di t i sa ni m p o r t a n ta p p r o a c ho ft h ec r e a t i n go fn e ws p e c i e s i nt h i sp a p e rw ei n t r o d u c et h e p o l y p l o i ds p e c i e si nt h en a t u r e ，a n dt h ew a yo fp r o d u c t i o n w ei n t r o d u c es e x u a lp e n n aa g e i n g m o d e l , a n df o u n dt h ep o l y p l o i dp e n n aa g e i n gm o d e l ，t h e nw ee n a c tt h em e c h a n i s mo f p o l y p l o i d i n d i v i d u a l sf o ri n p r o d u c i n g ，a n yi n d i v i d u a lc a nm a t c ha n o t h e rw h e t h e rt h e i r n u m b e r so fh a p l o t y p e sa r ee q u a lo rn o t , t h e nt h e yw i l lp r o d u c ec o r r e s p o n d i n go f f s p r i n g w e c o m p a r et h er e s u l t sa m o n gt h ep o l y p l o i dp e r m am o d e l ，d i p l o i dp e n n am o d e la n dh a p l o i d y p c n n am o d e l ，t of i n dw h a ta r es a m ea m o n gt h e m w eo b s e r v ee a c hb i tp o s i t i o na sd o m i n a n t o rr e c e s s i v em u t a t i o n si nt h eg e n e - s t r i n gh o wt oi n f l u e n c et h en u m b e ro fh a p l o t y p e sw h e nt h e c o l o n ye v o l v e m e n tg e tt oh o m e o s t a s i su n d e rt h es a m es e to fp a r a m e t e r su s e df o rs i m u l a t i o n s w ee n a c tt h eg e n e s t r i n gw i t h16b i t st os a v ec o m p u t e rt i m e t h e nw eg e tt h er e s u l t 、析廿1 c o m p u t e rs i m u l a t i o n s t od e a lw i t ht h es i m u l a t i o n sr e s u l t , w ei n t r o d u c ea nn e wp a r a m e t e re c a l l e di n f l u e n c ep o w e ro fe v e r yb i t ( 1 sf5 16 ) ，w ea n a l y s et h ei n f l u e n c ep o w e ro fe v e r yb i t w i t ht h ef i t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev a l u e so ff ；o nt h e2 n d ，t h e3 r da n dt h e4 t ha r el e s s t h a nt h ev a l u e so ffo nt h eo t h e rb i tp o s i t i o n s ，a n dt h et h r e ev a l u e sa r ev e r ya p p r o x i m a t e h o w e v e r ，t h ev a l u eo ffo nt h e1s ti sc l o s et ot h a to nt h eb i tp o s i t i o n sb e h i n dt h e4 妣a n d t h e s ev a l u e sa r ec l o s et oe a c ho t h e r t h ed i a g r a m sc a ns h o wt h a tt h e2 n d ，t h e3 r da n dt h e4 t h b i tp o s i t i o n se f f e c tt h en u m b e r so fh a p l o t y p e sm o r e i nc h a r t1 ，t h ei n t r o d u c t i o no fp o l y p l o i ds p e c i e si nt h en a t u r ea n dt h ea r t i f i c i a l i t y i n c h a r t2 ，t h ei n t r o d u c t i o no fp e n n am o d e l i nc h a r t3 ，t h ei n t r o d u c t i o no ft h ep o l y p l o i dp e n n a m o d e l i nc h a r t4 ，w ef o u n dt h ep o l y p l o i dp e n n am o d e l ，t h e nc o m p u t ea n da n a l y s et h er e s u l t i nc h a r t5 ，w ei n t r o d u c ea n da n a l y s et h ei n f l u e n c ep o w e ra n dt h ee x t i n c ts c a l e ，s u b s e q u e n t l y ，w e i m p r o v et h ea r i t h m e t i ct og e tp r e c i s i o nr e s u l t k e yw o r d s ：p o l y p l o i d y ；p e n n am o d e l ；d o m i n a n ta l l e l eo rt r a i t ；i n f l u e n c ep o w e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：避嗍掣 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 名：幺麴二堑 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 引言 多倍体指具有三套或三套以上完整染色体的所有个体。多倍性也是许多真核生物群 染色体进化的重要特征，如酵母菌、昆虫、两栖动物、爬行动物及鱼类都是我们熟知的 保留多倍体形式的类群【1 】。外延基因复制的最新证据表明哺乳动物基因组也有多倍体的 起源 2 】。在植物中，多倍体是适应性变化和物种形成的主要机制 3 】【4 】。 多倍化是自然界普遍存在的现象。据统计，自然界大约有1 2 的被子植物，2 3 的 禾本科植物属于多倍体。在被子植物中，约7 0 的种类在进化史中曾发生过一次或多次 多倍化过程 5 。染色体组的多倍化是推动植物进化的一个重要因素，是物种形成的重要 途径之- - 6 。 细胞学和生物系统学研究提出植物演化中多倍体起重要作用已有很长的历史，综合 考虑自然种群中多倍体的产生途径及机制，在逻辑上是促进我们理解植物物种形成和适 应的关键。目前，各国的育种学家根据多倍体的发生机制，通过种种途径己育出许多多 倍体品种，这些多倍体新品种在人们的生产及生活中起了重要的作用。但是，已提出的 多倍体形成途径及机制均只是对观察现象的概括，很少有对自然多倍体做成效显著的实 际研究。另外，一些研究者还在对其他的机制进行探讨，许多关于新多倍体建成和持久 性的问题仍然存在，新多倍体适应新的生态环境的程度如何? 新多倍体与其先祖存在多 大的生殖隔离? 这些问题仍待解决。相信随着多倍体形成机制及途径研究的不断深入， 为研究者提供了更多可供参考和利用的资料，世界植物多倍体育种与应用将会有更大的 发展【4 】。 尽管多倍体具有优势和重要性，但促进多倍体形成的因子目前仍没有清楚地了解。 目前关于多倍体进化的两个阶段已被证实：形成及确立。要了解多倍体的形成就需知道 多倍体形成途径、细胞学机制等情况【4 】。 本文将针对多倍体的繁殖机制和种群演化，以计算机模拟的方法进行研究。 位串模型中显性基因对群体演化的影响 1 绪论 在昆虫、鱼类、两栖类和爬行动物中较普遍，高等脊椎动物中也存在多倍性现象， 如人类自然流产病例中约有1 0 是因为多倍性。多倍化不是两个基因组被动地遇到一起 后的简单融合，而是涉及到大范围的分子和生理的调整。广泛的基因组重排。包括基因 组间的交换，基因丢失，都会在多倍化开始时发生。基因组加倍显著影响基因的表达， 导致表观遗传诱发基因沉默。在这些基因组复合物中出现了新的表型，诸如器官大小， 开花时期等【刀。 1 1 植物中的多倍体现象 多倍化是植物界最为普遍的现象之一，是植物进化与新种形成的重要机制之一。1 9 世纪末，互花米草( s p a r t i n a a l t e m i f l o r a ) ( 禾本科大米草属的一种) d a 于一个偶然的机会被 引入到英国南部和法国西部。在英国，与该属的另一种s p a r t i n am a r i t i m e 杂交，产生一 个不育的杂种s p a r t i n a t o w n s e n d i i 通过染色体加倍产生一个新的能育的多倍体种s p a r t i n a a n g g e a ，很快占领了英格兰的盐生沼泽地。s p a r t i n aa n g l i e a 表现出比亲本更大的生态丰 富度，并且沿着欧洲西部海岸迅速蔓延开来。由于该种具有富集沉淀物的特殊能力，中 国、澳大利亚和新西兰等家从国外引入用于陆地的生态修复。可是它的迅速人侵和戏剧 性的生态变化使得这些国家不得不出台政策来阻止它的蔓延f 8 1 。 多倍体从遗传成分上可以分成三大类：即同源多倍体f 如水稻的同源三倍体、同源 四倍体等) 、异源多倍体( 如普通栽培小麦) 和同源异源多倍体( 如人工合成的八倍体小粒 野生稻1 。多倍体的来源不外乎自然发生、人工合成和诱发突变等主要方式。自然发生 的几率很低。如水稻中发生同源三倍体的频率为三万分之一到五万分之- - 9 1 ；二倍体人 工加倍成四倍体之后，在四倍体中发现了生殖异常现象 1 0 】；y 射线照射珍珠粟，x 射 线照射水稻也可以产生多倍体【1l 】。从分布上讲，多倍体在植物界分布广泛，但不均衡。 蕨类植物和被子植物中多见，而裸子植物则较少。在组成上，同源多倍体则没有异源多 倍体那样普遍，不同种属之间的差别也较大，如在杨柳科的柳属( s a l i ) 【) 多倍体多见。而 杨属f p o p l u l u s ) 贝i 少见。在温带被子植物中，多年生草本的多倍体较多，一年生草本较少， 木本植物的多倍体种也较少【1 2 】。在水稻中，普通栽培稻和非洲栽培稻( o g l a b 明= i n l a _ ) j 匀 为二倍体( 2 n = 2 4 ) ，多倍体主要在野生稻中存在，如小粒野生稻( o m i n u t a ) 为四倍体( 2 n = 4 8 ) 1 3 1 1 4 3 。 被子植物中大约5 0 以上是多倍体，寥科、景天科、蔷薇科、锦葵科、禾本科和莺 尾科中多倍体最多，禾本科中约7 5 ，豆科中约1 8 ，草类中约8 0 的物种为多倍体。 大连理工大学硕士学位论文 许多农作物及果树蔬菜就是多倍体，如小麦、燕麦、棉花、花生、烟草、甘薯、首蓓、 山药、韭菜、莽菜、苦芭菜和香蕉等均为天然的多倍体植物。 1 2 动物中的多倍体现象 多倍性是植物界的一种普遍现象已为广大生物学者所熟知。然而多倍性在动物中则 非常少见。根据细胞学观察和d n a 含量、重复基因位点的分析，证实在鱼类、两栖类 和爬行类都存有多倍体类型，例如，鲑科中的鲑鱼、白鲑鱼、鳟鱼和茴鱼都是四倍体； 胭脂鱼科中几乎所有的种都是四倍体；鲣科的某些鲤鱼和金鱼的染色体分别为1 0 0 和 1 0 4 ，很明显也是四倍体。金鱼中除了有四倍体类型外，还有三倍体类型( 如银金鱼) 。此 外还有四倍体的泥鳅、软骨鱼和三倍体的花鳟鱼、鲫鱼等。 在两栖类和爬行类中，所有多倍体都与二倍体有关，没有发现有明显的多倍体的科 或属。已证实在有尾目中存有雌的三倍体种群，如雌的三倍体蜥蜴等。推测它们是通过 孤雌生殖进行繁殖。在无尾目中也发现有四倍体、六倍体和八倍体的蛙。很早就知道利 用温度或压力等因素刺激可以诱发两栖类的多倍性。 在哺乳动物中虽然尚未见有多倍体的类型，但体内的多倍化细胞十分普遍，如人在 1 1 2 0 岁时肝细胞常出现四倍体，到2 1 岁以后就出现了八倍体。 关于动物多倍体的起源及其在进化上的意义目前尚无定论。过去一般认为动物多倍 体的存在和它们在进化上的地位都不重要。现在越来越多的证据表明，自然发生的动物 多倍体，在群体遗传学和物种形成中可能起一种有意义而重要的作用 1 5 。 1 2 1 昆虫中的多倍体 昆虫中多倍性现象十分罕见，而又总是与孤雌生殖方式联系在一起。现存的昆虫种 类估计有2 5 0 3 0 0 万种，而己知的多倍体昆虫不足百种。据文献记载，在直翅目的螽斯 科曾发现过四倍体螽斯( 一种害虫) ，双翅目的毛蠓科有三倍体的毛蠓；膜翅目的叶蜂科 有四倍体的雌蜂：鞘翅目象甲科的多倍体类型最为丰富，曾发现有3 8 个三倍体，1 7 个四 倍体，5 个五倍体和2 个六倍体的孤雌生殖的亚种或种。大多数多倍体昆虫分布在北方 和山区，生命周期延续两年以上。它们一般都是不能飞翔的类型。 昆虫是生物界最大的一个类群，已鉴定出百万余种，但是多倍体昆虫的种却寥寥无 几，记录的尚不足百种 1 6 1 。兹将主要多倍体昆虫的种列于表l 内。 由表l 可看出多倍体昆虫在各主要目中都有，但都很稀少。有的是独立的多倍体种， 有的是二倍体种中的一个多倍体品系。 多倍体昆虫比较罕见的原因和其生殖特点有关，昆虫和动物一样都为两性交配生 殖，有性染色体 1 7 1 。性别决定机制是多倍体动物稀少的一个重要原因。很多动物性别 位串模型中显性基因对群体演化的影响 是由性染色体q ( ) 和常染色体( a ) 的比例决定的，而在多倍体中这个比例会遭到破坏。如 果蝇d r o s o p h i l a 比值为1 ：l 是雌性，若l ：2 则为雄性。偶尔发现有三倍体果蝇( ) 。o ( ： 舢执) 比值为1 ：1 ，是雌性的。而1 ：3 ( x ：a a a ) 和2 ：3 ( x x ：灿认) 都不是l ：2 ，因 而不会有三倍体的雄性产生。在实验室里三倍体雌虫和二倍体雄虫杂交，从后代中仍可 找到三倍体雌性，于是这个三倍体雌性品系在实验室里就可以保持下来 1 8 】。在多倍体 昆虫中，染色体特别是性染色体和常染色体数目发生不平衡会引起不育，所以若发生多 倍体昆虫只能靠孤雌生殖或无性生殖来维持。这表明多倍体昆虫是和孤雌生殖紧密相联 的。孤雌生殖在种群扩散方面也有有利的一面，因为只要有一个迁移个体在适宜环境中 定居下来就可以繁衍后代，就此而言，比两性生殖的更为有利1 9 】。 袭l 主要的多倍体昆虫名秉 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 鱼类中的多倍体 在高等脊椎动物中，多倍体现象是比较罕见的，但在鱼类中多倍体现象则较为普遍。 世界上现生鱼类约有二万余种，已经研究过染色体的鱼类约有一千一百余种，其中多倍 体至少有6 0 种。胭脂鱼科( c a t a s t o m i d a e ) 几乎所有的种都是多倍体。它们的染色体数为 4 n = 9 6 - - 1 0 0 ，而它们亲缘种的二倍体则为2 n = 5 0 。一般认为胭脂鱼是鲤科鱼类在始新 世纪( 大约5 0 万年以前) 分化而形成的。在现生鲤科鱼类中，大部分种类为2 n - = 4 8 - - 5 2 ， 其中2 n = 5 0 占绝大多数。胭脂鱼类的染色体数恰为其二倍，同时，胭脂鱼体细胞的d n a 含量也为大部分鲤科鱼类的二倍。由此也表明胭脂鱼的多倍性。 鲑科鱼类中的多倍体现象也很普遍。早年有人提出鲑科鱼类的基础染色体数1 0 条， 所以鲑、鳟等是六倍体或八倍体。现在的研究结果证明这个观点是错误的。但鲑科鱼类 几乎所有成员都是多倍体则是正确的。这主要是根据以下几点确定的：染色体臂数的一 致性及与其它亲缘种的比例关系，减数分裂中四价体的存在，核型中四条同源染色体和 由同功酶证明基因位点的重复，体细胞d n a 含量较亲缘种的加倍。鲑科鱼类的染色体 数在5 6 _ - 8 6 之间变化，染色体臂数则相对稳定在1 0 0 1 0 4 之间，这可能是由于罗伯逊 易位所造成的。根据鲑科鱼类多倍化发生的历史年代和进化程度，有人将其称为新四倍 体。现代的一些研究结果证明鲑科鱼类已经不同程度经历了二倍化过程。 鲤科鱼类中，b a r b u sb a r b 吣，鲤鱼( c y p r i - n u sc a r p i o ) 鲫属( c a r a s s i u s ) 等种类的染色 体数为1 0 沪10 4 条，d n a 含量为哺乳类的4 9 5 3 纵大部分鲤科种类仅为2 0 3 8 ，染色 体数为2 n = 4 8 5 2 ) ，几种蛋白质和酶的基因位点也相应地增加。因此一些研究者将其称 为四倍体。这些多倍体鱼类发生的年代较远，并且现在已经达到二倍化程度，因此又将 共称为老四倍体鲫属中的银鲫( c a u r a l u r g i b c l i o 或c a u r a t u sl a n g s d o r f i i ) 中有染色体数为 1 5 0 和2 0 0 两种类型，有人称其为三倍体和四倍体。实际上这两种鲫鱼的起源还是不 清楚的，它们可能是鲫鱼f c a u l a t u s2 n = 1 0 0 ) 多倍化所产生的。但也有可能它们是鲫鱼祖 先的六倍体。具有1 5 0 条染色体的银鲫以单性型群体分布于苏、日和我国等的部分地 区。据报道：这样的单性型银鲫依靠异种精子行雌核发育繁殖后代。我们发现黑龙江水 系的银鲫并非单性型，群体中存在1 0 左右的雄性，实验证明：雄性通过减数分裂产生 形态、寿命和泳动能力正常的精子。这说明这种银鲫是一种已经完成或正在完成二倍化 的多倍体种群。在现生鱼类中，有些鱼类虽不是多倍体或已经二倍化，但在自然条件下， 仍有一些自生多倍体现象。索加德( t h o r g 雒r d ) 等就曾报道过在虹鳟家系中发现了自生 的三倍体【2 0 】。 位串模型中显性基因对群体演化的影响 1 3 多倍体在农业上的应用 自从人们发现、利用，尤其人工创造生物多倍体以来，多倍体在农业上的应用进展 很快，不仅在植物界得到广泛应用，而在动物界也有了很大的进展。1 、异源多倍体小黑 麦。目前栽培的小黑麦有异源六倍体和异源八倍体两种，国外广泛栽培的是六倍体小黑 麦，我国栽培的主要是八倍体小黑麦。小黑麦由于具有抗逆性强，能适应寒冷与干旱的 气候条件，耐瘠薄，抗白粉病，蛋白质、赖氨酸含量高等优良特性，而广泛在世界5 0 多个国家，作为粮食、饲草作物栽培使用。我国2 0 世纪7 0 年代后，在贵州、四川、甘 肃、宁夏等省种植。2 1 三倍体甜菜。生产上广为使用的甜菜为同源三倍体，是同源四倍 体与二倍体杂交产生的，三倍体甜菜营养生长繁茂，块根产量高，块根含糖量超过四倍 体和二倍体亲本。法国由于三倍体杂交种的推广，每公顷块根产量比原来使用二倍体时 增长了1 1 9 倍( 1 9 9 1 1 9 9 5 年) ，块根含糖量由1 6 8 7 增长到1 7 8 6 。我国2 0 世纪7 0 年 代培育的三倍体甜菜双丰3 0 3 、双丰3 0 4 ，产糖量较二倍体高l o - - r 2 0 。此后陆续培育 出一批三倍体品种，目前多倍体品种的推广面积已超过5 0 以上。3 ) - - 倍体西瓜。2 0 世 纪4 0 年代，日本的遗传学家，采用秋水仙碱诱导出同源四倍体西瓜，然后再与二倍体 杂交，育出三倍体西瓜。三倍西瓜高度不育，省去了食用时吐籽的麻烦，且含糖量、抗 病性好，倍受消费者青睐。我国2 0 世纪5 0 年代开始多倍体西瓜的研究，经几于年的发 展，三倍体西瓜已遍及全国集贸市场及超市，且成为世界三倍体西瓜科研、生产、出口 第一大国。除西瓜外，同源三倍体或四倍体黄瓜、南瓜、番茄、辣椒、豌豆、菠菜、芹 菜、萝h 、大自菜等蔬菜已经育出，有些已在生产上应用。4 1 花卉植物。大丽花原产墨 西哥，祖先是二倍体，2 n = 3 6 ，经过杂交及染色体加倍，形成了花色、花型丰富多彩的 异源八倍体大丽花新类型：丰富多彩、品种繁多的月季，也都是杂交后选出的三倍体或 四倍体。5 1 果树类植物。通过有性杂交育成的三倍体苹果新品种陆奥、新乔纳金及北斗 等，表现出树体大、生产健壮、果实大、果肉致密、耐贮性好等特点，深受消费者欢迎。 欧洲葡萄四倍体森田尼、康能玫瑰、大玫瑰香、大无核自、汤母逊无核和佳利酿等美国 葡萄四倍体康可，欧美杂交种四倍体人粒康拜尔、巨峰及巨鲸等巨峰系品种群，也深受 人们的欢迎。6 1 三倍体毛白杨。三倍体毛白杨是中国科学院院十、北京林业大学朱之悌 教授经1 5 年的科技攻关，采用回交、部分染色体替换和染色体加倍等系列技术获得的 三倍体毛白杨新品种，它比普通二倍体毛杨生长快( 一年成树，三年成林，五年成材) 、 纤维长、白度高、易切削，是优质的造纸和胶合板原料。二倍体毛白杨生态适应性强， 分布范围广，抗寒、抗旱、抗锈病、抗天牛，是农田林网、平原绿化、通道绿化、城市 绿化及生态防护的优良树种。目前，河北、山西、河南、山东、陕西等省，形成了广种 毛白杨的热潮。7 1 中药材。日本把多倍体育种作为药用植物的重要育种方法之一，并广 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 泛应用。我国也对当归、牛膝、板蓝根、丹参、黄芩、柴胡、菊花和薄荷等大宗药材的 多倍体育种技术进行了研究，并在当归、牛膝、板蓝根、丹参、黄芩获得了新品种，柴 胡、菊花、薄荷和桔梗的多倍体育种工作也正在进行，取得了比较理想的效果。8 ) 水产 动物。近2 0 年来，对水产动物多倍体的研究取得不少进展，已先后获得了草鱼、鲤、 大西洋鲤、虹鳟等4 0 多种鱼类的三倍体及四倍体；扇贝、中国对虾、日本绒毛蟹等2 0 多种经济贝类和甲壳类的多倍体，以其生长速度快、产量高、性成熟晚、个体寿命延长、 肉质鲜美、风味独特、抗病性强等优势在生产上得到应用，其中有一些已进行了商品化 生产，达到了产业化水平。鉴于生物多倍体的特征优势，随着生命科学的逐步发展，人 工诱导生物多倍体技术的不断创新、完善，人们将会获得更多、更广的动、植物多倍体， 改良并创造出新的动、植物品种、物种，成为推动2 l 世纪农业生产的强大动力，造福 于人类【2 1 】。 1 4 动物界多倍体较为少见的生物学原因 为什么动物界多倍体较为少见呢? 这主要是由于动物和植物在许多方面存在差异 的缘故。具体地说有如下几方面： ( 1 ) 大多数动物是雌雄异体。雌雄配子的染色体，特别是x 染色体和常染色体数目， 如果发生不平衡和不协调就会导致不育。即使某一个体在减数分裂时能够形成染色体加 倍的配子，也会因为没有同类型的多倍化的异性配子细胞结合，而导致后代不育，甚至 个体不能生活。相反，大多数植物是雌雄同体甚至雌雄同花。其雌雄配予常常因受同一 外界条件的影响，同时发生了不正常的减数分裂，使染色体数不减半，形成2 n 的雌雄 配子。它们受精结合，便形成了四倍体。如果未减数的二倍性配子( 2 n ) 和正常单倍性异 性配子相结合，则可形成一个三倍体。 ( 2 ) 动物不象植物那样能进行营养繁殖。由动物体细胞加倍形成的多倍体细胞不能 发育为多倍体个体。植物则常可利用其自身所产生的营养器官进行繁殖。如地下茎、块 茎、鳞茎、萄葡枝、块根、根茎等这些无性繁殖器官。在适宜的条件下它们能够进行生 长发育，最后产生一个新的个体。此外也可用人工方法如扦插、压条，嫁接、花药组织 培养等诱导或植株。由此可见，植物在受精以后的任何时期的体细胞，或是在雌雄配子 融合后第一次有丝分是时的染色体加倍，都可以通过其营养繁殖来获得存活的多倍体后 代。 f 3 1 动物的器官分化和配子形成时期比植物为早。即使体细胞加倍的细胞也不能通 过配子传递到后代。 位串模型中显性基因对群体演化的影响 ( 4 ) 高等动物通常不能进行无性繁殖。即使出现了多倍体，却由于它的高度不育性 丽难以保留下来。事实上，动物中的多倍体自然维持下去是有困难的。如丰年鱼，其二 倍体能正常进行有性生殖；而四倍体的丰年鱼却依靠单雌生殖来维持。又如，在黑腹果 蝇中曾发现过有三倍体，但这种三倍体的黑腹果蝇只能依靠选择和适当交配来维持。 ( 5 ) 从进化的角度看，动物多倍体不能克服不育性问题，生存上面临着许多困境。 多倍体出现将限制其进一步的发展和进化，因而在动物界中多倍体形成不是物种演化的 自然趋势。在植物界，多倍体不仅能繁衍下去，且由于多倍体的细胞一般比较大，营养 器官和繁殖器官也往往增大。有时某些细胞内含物的含量也有所提高，这就提高了植物 体的抗逆性和自然适应能力。可以说，植物的自然演化程度越高，多倍体物种的比例也 越大。二倍体物种是原始种，多倍体物种是衍生种。植物种间杂交结合，染色体加倍是 物种自然演化的重要途径。 由此看来，动物多倍体在自然界中比较少见是由动物体自身不同于植物的生长、发 育、繁殖等特性所决定的 2 2 】。 1 5 多倍体的进化 通常认为，多倍体在植物的物种形成和进化上具有极为重要的作用。资料表明，约 7 0 的被子植物在其进化过程中发生了一次或多次多倍化事件2 3 ，2 4 1 。二倍体在冰川 时期以前就已经存在，而多倍体后来才出现，这说明多倍体是由二倍体演化而来的。 在漫长的进化过程中，多倍体的遗传构成保证了它对不良环境的抵抗能力比二倍体 大许多。用不同的射线照射养麦( f a g o p y r u me s e u l e n t u m ) 的二倍体和四倍体，发现四倍体 的抗辐射能力要比二倍体强的多。另一方面，当环境条件变化要产生新的适应性时，多 倍体又显得无能为力，如同源多倍体其分离比二倍体祖先小的多，这一特征有利于杂种 优势的保持，但由于减数分裂时有大量多价体形成。造成染色体的分配不均衡，所产生 的配子常常是不育的，这使它们常需和无融合生殖结合在一起，才能生存和扩展，因而 它们的进化受到了一定的限制，所以在进化上又存在着另一个趋势，即去多倍化。有资 料表明，禾本科在进化过程中有“染色体的基本数目缩减的总趋势”，并发现一些科如 十字花科( c r u c f i e i a e ) 、蓼科( p o l y g o n a e e a e ) 等有这种趋势f 2 5 1 。 异源多倍体在进化上比同源多倍体优越，因为异源多倍体至少包含两个不同种的全 套基因组，因此，异源多倍体比同源多倍体通常具有更强的适应能力。在小麦中，已经 获得了全套2 1 种不同的缺体植株，说明小麦的重复基因使它可以忍受整条染色体的缺 失而可以存活下来。陆地棉( g o s s y p i u mh i r s u t u m ) 的重复基因很少，所以任何缺体都是致 大连理工大学硕士学位论文 死的。可见重复基因不但是产生新基因的原料，而且对发生的不利突变起重要的缓冲作 用【4 】 1 4 】。 多倍化的直接效应是导致基因组发生部分或全部的重复，但并非所有经历过多倍化 的种类都表现明显的多倍体的细胞遗传学特征，其原因是在多倍化事件之后，常常伴随 有一个广泛的、迅速的二倍化过程( d i p o i d i z a t i o n ) ，即通过d n a 排除( d n ae l i m i n a t i o n ) 、 d n a 同质化( d n ah o m o g e n i z a t i o n ) 、基因沉默( g e n es i l e n c i n 9 1 和染色体重排 ( c 蛐s o l a lr e a r r a n g e 2 m e n t ) 等过程对多倍体基因组进行改组或重建( g e n o m e r e s t r u c t u r i n g ) ，在改变二倍体祖先基因组中基因连锁关系、遗传或外遗传( e p i g e n e f i c ) 修饰 式样以及染色体结构的同时，赋予多倍体基因组新的细胞遗传学特性，使之在核型特征 以及基因表达水平和式样等方面表现与二倍体相似的特点。很多古多倍体f 如玉米z e a m a y s ) 就是早期多倍化事件的产物，比较作m ( c o m p a r a t i v em a p p i n g ) 的结果已经证实了这 一点( l e i t c h & b e n n e t t 。1 9 9 7 ) 。新一轮的多倍化过程可以在这种二倍化的多倍体基因组 中再次发生，并伴随新一轮的二倍化和进化趋异，这种重复( 多倍化) 和趋异的循环或许 代表了多数被子植物基因组的进化历史( w e n d e l2 0 0 0 ) 。 从目前积累的资料看，早期有关植物多倍体的研究多集中在多倍体的形态特点、细 胞学特征、生活习性以及地理分布式样等方面，对多倍体适应性发展的遗传基础、多倍 化的分子后果、以及多倍化后多倍体基因组的进化动态涉及不多，这在很大程度上受制 于特殊的、有效的研究方法。近1 0 多年来，分子生物学技术和一些先进的细胞遗传学 研究方法在植物多倍体研究中的广泛运用，不仅为研究植物多倍体基因组的起源、确定 多倍体的性质、了解多倍化的分子和遗传学效应提供了很多有价值的资料，更新了许多 传统的认识，而且为从分子遗传学角度研究多倍体基因组中重复基因或重复基因组的进 化动态提供了一条有效的途径【2 6 】。 1 6 多倍体形成机制 植物中被广为人知的多倍体形成机制有几个，主要有体细胞加倍和配子不减数两 类。 1 6 1 体细胞加倍 体细胞多倍性在许多非分生植物组织里是普遍存在的。例如，正常的二倍体v i c i a f a b a 在茎干的皮层及髓部中存在着四倍体与八倍体细胞。这些多倍体细胞偶尔也会成为 原始的新生长点，并成为新多倍体苗的重要源泉，特别在受伤或瘤处。体细胞分生组织， 如合子及幼胚最易产生多倍体，分生的全为多倍体孢子体。这种现象在幼胚短暂的置于 高温下的热休克实验中得到很好的解释。玉米在授粉后置于4 0 ( 2 约2 4h ，产生了1 8 位串模型中显性基因对群体演化的影响 的四倍体及0 8 的八倍体实生苗 2 7 】。多胚( 即孪生) 种子也可高频率产生多倍体实生 苗，但现在普遍认为这种多倍体起源于减数分裂而非体细胞。其他方式也可达到体细胞 加倍的目的，报春花属植物k c w e m i s 是最早被描述为异源多倍体的植物之一。它起源 于不育二倍体p f l o d b u n d a x p v c r t i c 七r l l a t a 的杂交一代9 1 ) 中获得的能育四倍体苗【2 8 】。 同样地，一个四倍体苗在二倍体m i m u l u s n e l s o n i xm i m ul u sl c w is i i 的f l 中被发现 2 9 】。 1 6 2 配子不减数 多倍体形成的第二个主要机制包括小孢子发生及大孢子发生期的配子“不减数”， 或“减数分裂核重建”。这个过程产生不减数配子，也被称为“2 n 配子”，即具有全套 体细胞染色体数 3 0 】。这种减数与未减数配子，或两个2 n 配子的结合，会产生多倍体胚。 目前已在许多植物分类群中发现有2 n 配子，据1 9 7 5 年的不完全统计，已在8 5 个属植 物中发现过2 n 配子。多精入卵，指受精作用是不止一个精核进入卵细胞，这在许多物 种中被证实，并在一些兰花中诱导出了多倍体，但这被认为是多倍体形成的不正常机制。 在多倍体形成时要区分是由体细胞加倍还是由2 n 配子引起，需要有遗传标记系统及有 关配子不减数细胞学机制的详尽知识。目前有很多证据表明多倍体形成常有2 n 配子存 在 3 1 】。在经细胞学分析后，自发多倍体的亲本常有2 n 配子的形成，相应地，被知道产 生2 n 配予的植物又能杂交形成新的多倍体。在许多情况下，自发产生多倍体的细胞型 均表现出是由减数和未减数配子结合而成，而非体细胞突变，因体细胞突变总是仅有染 色体组的加倍，如4 x ，8 x 。而自然条件下，有奇倍性的出现，例如n a v a s h i n 发现c r e p i s c a p i l l a r i s 二倍体自由授粉的后代中有三倍体和五倍体，这是由于减数配子与未减数配 子( 2 n 或4 n ) 结合而产生。同样的，回交二倍体杂种d i g i t a l i sa m b i g u a x p u r p u r e a 被认为 其种间杂交引起未减数配子发生而产生了三倍体。由于产生2 n 配子被认为是多倍体形 成的主要机制，目前许多研究者已将重点放在了2 n 配子对多倍体起源的作用上。当然， 许多研究仍在检测自然种群中多倍体形成的各种细胞学机制的相关作用 4 】。 1 7 多倍体形成途径 在此讨论多倍体形成的主要路线，并着重于形成途径中已观察到的一个或多个步骤 的举例。 1 7 1由三倍体桥形成同源四倍体 二倍体种群中形成的三倍体与二倍体回交，或三倍体自交，会产生四倍体。例如， p o p u l u s t r e m u l a 的自发三倍体无性系与二倍体回交获得了1 的四倍体后代。同样地，那 些源于自发多倍体的三倍体苹果种也会产生一小部分四倍体后代。尽管这些途径的所有 大连理工大学硕士学位论文 步骤并未在整体中被完全发现，但个体的机制已得到很好的证实。三倍体经常在二倍体 种群中被发现，并被普遍认为是由减数配子( n ) 与未减数配子( 2 n ) 结合而来。在研究自发 三倍体形成及二倍体与四倍体杂交时表明，由同源三倍体产生的配子是败育的，因为它 们含有非整倍体，即不平衡的染色体数目。然而，三倍体也会产生一些整倍体( x ，2 x ) 配子，并能产生不减数的三倍体配子( 3 ) ( ) 。所以，同源三倍体可通过自交及与二倍体回 交产生四倍体。 1 7 2 一步形成的同源四倍体 四倍体可由二倍体种群中两个2 n 配子结合或体细胞加倍而直接获得。例如，e i n s e t 在二倍体苹果种自由授粉后代实生苗细胞型分析中发现一个四倍体小片段。t y a g i 3 2 在c o s t u ss p e s i o s u s 杂交无性系中观察到一些2 n 花粉，并发现- - d , 部分四倍体实生苗。 这个过程也在其他几个分类群中有发现。 1 7 3 由三倍体桥形成异源四倍体 二倍体种间杂交的f 1 或f 2 代中也有杂种三倍体的形成，并可通过自交或与二倍体 回交产生异源四倍体。如m u n t z i n g 在g a l e o p s i sp u b e s c 2 n s xg a l c o p s i ss p e e i o s a 时得到高 不育的二倍体f 1 代，2 0 0 株f 2 代中之一为三倍体，并在与g p u b e s e e n s 回交中产生了 一颗有活力的种子，即为四倍体。同样地，s k a l i n s k a 3 3 在a q u i l e g i a c h r y s a n t h a x a f l a v e l l a t a 的f 1 后代中发现一个三倍体植株，将这些三倍体植株自交产生了f 2 代，其中 2 3 为四倍体。异源三倍体在种间杂交f 1 代杂种回交或自交后f 2 代中普遍出现，在f 1 中通过亲本基因型减数与未减数配子结合也可产t 4 = 3 4 。在对自发产生异源三倍体及通 过不同二倍体与四倍体种杂交所得异源三倍体研究表明，二倍体的配子与未减数配子能 产生异源三倍体并可自交或回交产生异源四倍体。 1 7 4 一步形成异源四倍体 异源多倍体可直接在二倍体种间杂交f 1 或f 2 代中形成。如9 0 的d i g i t a l i s a m b i g u a d p u r p u r e a 的f 2 后代为四倍体。a l l i t t me e p a a 丘s t o l i u m 的f 2 后代一半为四倍体 或亚四倍体( 如4 x 1 ) 。m a n i h o te p r u i n o s a xg l a z i o v i i 的f l 后代2 为四倍体【3 5 】。另外还 有一些由f 1 代种间杂交或种间杂交的f l 代一步形成四倍体的实例。 1 7 5 一步形成更高的倍性 在多倍体种群中，减数与未减数配子会产生更高倍性的新细胞型。如同源四倍体 b e t av u l g a r i s 自由授粉的后代中发现了2 的六倍体细胞型，这显而易见是由于2 x 和 4 x 配子结合而成。同样，四倍体苜蓿后代中也存在着1 的六倍体。在四倍体种群的其 位串模型中显性基因对群体演化的影响 他几个系统里也有同源六倍体形成的详尽资料 3 6 】。在这种机制下也能产生新的奇数倍 性的细胞型，如在六倍体an d r o p o g o ng e r a r d i i 中会产生未减数的配子，从而产生九倍 细胞型。目前这种现象已有广泛的分布 3 7 】。 1 7 6 同源多倍体杂交形成异源多倍体 两个不同的同源多倍体杂交会直接产生异源多倍体。如同源四倍体l y c o p e r s i o n e s e u l e n t u m l y c o p e r s i o n p i m p i n e u i f o l i u m 杂交，产生了能育的异源四倍体l y c o p e f s i o n ， 这与二倍体杂种f 1 代加倍一样。同源四倍体t r d e s