（遗传学专业论文）植物b染色体分子生物学研究.pdf

标记，并对它们中的 3个:m8 - 1 , m8 - 2 d为b染色体着丝粒特异序列 m8 - 2 u和 m8 - 2 d进行了 详细的研究。其中 ，该序列中还同时与植物染色体端粒特异重 复序列 ( a g g g t t t ) 。 十分相似，它可以同时定位于b染色体的着丝粒和端粒 部位，可以推测该序列是由端粒序列进化而来。不仅如此 m8 - 2 d还与己知的玉 米4号染色体着丝粒序列有同源性，暗示玉米 b染色体着丝粒与4号染色体关 系最为密切。m 8 - 2 d为研究玉米染色体起源提供了丰富的信息。另外两个分子 标记: m 8 - 1 是返转座子g a g 基因的部分序列， 而m8 - 2 u为一个首次报道的 序列， 除常染色体的个别区域外， 它广泛的分布于玉米基因组中， 推测该序列亦为玉米 基因组内某一转座成分的部分序列。 这些序列的发现，为研究玉米 b染色体的 一般特征提供了重要线索。 4 .应用r a p d分子标记技术，对玉米o b和+b基因组d n a进行分析，在 选用的全部3 6 0 个随机引物中， 仅有 1 8 个引物产生差异， 引物4 8 0 和1 3 2 0 产生 的差异带b 4 8 0 和b 1 3 2 0 尤为明显。 结合荧光原位杂交技术， 这两个标记全部定 位于b染色体的着丝粒部位。它们的序列特征较为特殊，碱基a / t 含量高达6 4 %和6 7 ，与玉米自 主复制起始序列a r s 1 和a r s 2同源性较高。特别是b 4 8 0 序列中， 从其位点3 4 0 到3 6 1 的一段序列在多种模式生物， 如人、 线虫、 拟南芥 等基因组中共存，其序列为 5 - g c a t a t t t t a t t t a t t t t t g a c - 3 ，该序列与酵 母的一致序列( a c s ) 极为类似。 由于己知的玉米b染色体差异序列都集中于其 着丝粒区域，且来自同一序列家族。在本文中，b 4 8 0 和b 1 3 2 0 是首次被报道， 它们的发现不仅说明玉米b染色体着丝粒d n a组成要比过去想像的复杂， 也为 了 解 b 染 色 体 着 丝 粒 d n a 组 成 提 供 了 更 为 全 面 的 认 识 少 从本文的研究结果可以说明，b染色体与a染色体在d n a组成方面高度一 致， 具有一般a染色体的特征， 携带与a染色体同源的三大功能组件序列， d n a 组成以高拷贝序列和转座序列为主。 此外， b染色体作为在很多物种中存在的一 种特殊染色体，又含有其特异的d n a序列。这种d n a序列分为两类:一类为 a . b染色体共有序列，它们中的部分序列已发生染色体特异的点突变，使a . b染色体之间的共有序列产生差异; 另一类为b染色体特有序列， 它们仅出 现于 b染色体，这些序列由a染色体上相应序列进化而来。在本论文中发现的序列 不仅丰富了对 b染色体 d n a分子组成的认识， 也为探讨b染色体的起源和和进 化途经提供了重要的线索。 关键词: 黑 麦; 玉 米; b 染 色体: 分 子 标记; f i s h 月 h青 一、 b 染色体及其对宿主的影响 b染色体是独立存在于物种常染色体组之外的一种特殊染色体， 又被称为超 数染色体 ( s u p e r n u m e r a ry c h r o m o s o m e ) 、附加染色体 ( a c c e s s o ry c h r o m o s o m e ) 或额外染色体 ( e x t r a c h r o m o s o m e ) ( b e u k e b o o m等，1 9 9 4 ) 。它最先用来表示在 某 些昆 虫中 发 现的 超数 染 色体( s u p e r n u m e r i e s ) ( w i l s o n , 1 9 0 7 ) . 随 后， r a n d o lp h ( 1 9 2 8 )将玉米中的一些特殊超数染色体称为 b染色体，以 用来区分正常的a 染色体和通过b染色体结构变化形成的c染色体，c染色体这一概念今天以不 再 使用。 现在， 瑞典的m t i n t z i n g , l im a - d e - f a r i a 和o s t e r g r e n 等学者仍 使用附 加 或额外染色体表示 ( m tl n t z i n g , 1 9 7 4 ) ， 本论文中则使用b染色体这一术语。 ( 1 ) b 染色体的 分布 b染色体分布广泛， 现已 在逾千种植物和近三百种动物中发现b染色体的存 在。由于物种研究数量的原因， b染色体实际存在范围远远不止如此。 在高等植物， 无论是在单子叶植物还是在双子叶植物中， b染色体的分布都 没 有 系 统 分 类 上 的 倾 向 。 有 关 植 物b 染 色 体 的 研 究 主 要 集 中 于 禾 本 科 和 百 合 科 。 在藏类植物和苔醉植物中也有发现， 关于它们的信息是非常零散的。目 前还没有 b染色体在真菌中的记录。 就已 有知识而言， b染色体在植物中的分布无规律可 在己被调查的昆虫中，8 1 %的物种含 b染色体。这些物种主要集中在鞘翅 目、 双翅目 和直翅目。和植物一样， b染色体的分布不在任何分类单元上表现出 规律， 它既出现在低等动物中也出现在高等动物中。 唯一可以称为规律的就是b 染色体的分布更多的出现在远交种群中。 ( 2 ) b 染色体的 特征 b染色体是产生植物和动物染色体数目 变异的重要原因之一。 区分b染色体 和其它正常染色体有两个标准，即在物种内的分布和在减数分裂时的配对行为。 这种区别最先由l o n g l e y ( 1 9 2 7 ) 和r a n d o l p h ( 1 9 2 8 ) 在玉米中发现， 例如在玉 米( 2 n = 2 x = 2 0 ) 某些种群和个体中 存在b染色体。 它们的有无不影响物种个体正常 的生长和繁殖， 是冗余的; 在减数分裂时， b染色体之间可以相互配对形成交叉， 但它们不与正常的 a染色体配对。此外，b染色体还具有以下几个特征 ( ma n t z i n g , 1 9 7 4 ; j o n e s 和r e e s , 1 9 8 2 :王玉元，1 9 9 7 ) : 1 . b染色体在形态上与a染色体不同:含有十分丰富的异染色质:而且在 大多数物种中，b染色体要比正常a染色体小。 2 . b染色体不遵循孟德尔遗传法则。 3 . b染色体不携带或极少携带核仁组织区。 4 . b染色体在有丝分裂后期不分离，在个体的不同器官间b染色体出现频 率会有差异。 5 . b染色体数目升高会抑制个体生长和降低配子的受精能力。 6 . b染色体不携带对表型有重要影响的基因，它对表型的影响与多基因控 制性状有些类似，即它们在遗传上产生连续变化的性状。 表 1 . b染色体上定位的基因 ( g r e e n , 1 9 9 0 ) 物种基因 参考文献 a 帅h ib i a n s d i c a a m p t o d o n t e n e b r o s u s s c a p h ip o u s h a m m o n d i i l e i o p e l m a h o c h s t e t t e r i i n s e c t s c h i r o n o mu s s p . d i c h r o p l u s p r a t e n s i s e y p r e p o c n e m i s p l o r a n s s i mu l i u m c o s t a r i u m s i m u l i u m j u x t a c r e n o b i u m c n e p h i a o r n i t h o p h i l i u m c e n p h i a d a c o t e n s i s p l a n t s c a ly c a d e n i a s p a l o p e c u r u s p r a t e n s i s 0 re p i s s y r i a c a c r e p i s f o e t i d a c r e p i s c a p i l l a r i e s p e n n i s e t u m ty p h o i d e s gi b a s i s l i n e a r i s s e c a l e c e r e a l e t r a d e s c a n t i a e d wa r d s i a n a a l l i u m 刀 a v u m a l l i u m c a p i l l a r i e s a l l i u m s p h a e r o c e p h a l o n p l a n t a g o c o r o n o p u s h a p l o p a p p u s g r a c i l i s a e g i lp s s p p . z e a m a y s s c i l l a a u t u m n a l i s nor nor s e x d e t e r mi n a t i o n s e s s i o n s , 1 9 8 4 k. an d e r s o n , 1 9 9 0 1 9 8 8 nor nor l a t e n t nor nor nor nor nor k e y l a n d h a e g e l e , 1 9 7 1 b i d a u , 1 9 8 6 c a b r e r o e t a l . . 1 9 8 7 b r o c k h o u s e 哄 a l . , 1 9 8 9 b r o c k h o u s e e t a l . , 1 9 8 9 p r o c u n i e r , 1 9 7 5 , 1 9 8 2 p r o c u n i e r , 1 9 7 5 , 1 9 8 2 nor nor nor nor nor nor nor nor nor nor nor nor m a l e s t e r i l i t y ar c h e n e c o l o r m e i o t i c p a i ri n g l e a f s t r i p i n g ea s t e r a s e c a r r a n d c a r r , 1 9 8 2 b o s e m a r k , 1 9 5 7 c a m e r o n , 1 9 3 4 b a b c o c k , 1 9 4 7 ma l u s z y n s k a a n d s c h w e i z e r , 1 9 8 9 p o w e l l a n d b u rt o n , 1 9 5 5 b r a n d h a m a n d b h a tt a r a i , 1 9 7 7 f l a v e l l a n d r i m p a u , 1 9 7 5 s t a c k , 1 9 7 4 l o i d l , 1 9 8 2 a l o i d l , 1 9 8 2 b g u i l l e n a n d r u i z r e j o n , 1 9 8 4 p a l i w a l a n d h y d e , 1 9 5 9 j a c k s o n a n d n e w m a r k , 1 9 6 0 d o v e r a n d r i l e y , 1 9 7 2 s t a u b , 1 9 8 7 o l i v r e t a l . . 1 9 8 2 以上鉴定 b染色体的六个特征并不是一成不变的。利用普通遗传学的方法 已在 b染色体上定位了数个基因，它们包括 r d n a ，酉 旨 酶 ( e s t e r a s e ) ，减数分裂 染 色 体 配 对 基因( m e i o t i c p a ir in g ) 等 ( 表1 ) ( g r e e n , 1 9 9 0 ) 0 ( 3 ) 黑麦和玉米b 染色体研究 虽然在各物种中的 b染色体的特征和影响十分复杂，不可一概而论，但 b 染色体在宿主细胞中的行为和对宿主细胞的影响也存在许多共性。 在植物中， 黑 麦和玉米的 b染色体就是十分典型的例子，在它们身上很好的反映出b染色体 的一般特征，有关它们的研究资料也最为丰富。 黑麦b染色体 在相当多的黑麦 ( s e c a l e c e r e a l e ) 种群中都携带b染色体。 这些黑麦种群在 世界范围内 分布， 如瑞典 ( m u n t z i n g 和p r a k k e n , 1 9 4 1 ) ， 南斯拉夫 ( z e c v i c 和 p a u n v i c , 1 9 6 7 ) ，希腊 ( s a k a m o t o 和a k i t a , 1 9 8 2 ) ， 土耳其 ( m u n t z in g , 1 9 5 0 ; n i w a 等， 1 9 9 0 ) ， 伊朗( m u n t z i n g , 1 9 5 7 ) ， 韩国( m u n t z i n g , 1 9 5 7 ; b a n g 和l e e , 1 9 8 6 )和日本 ( k i s h i k a w a , 1 9 6 5 ) 0 m u n t z in g 的 研究 ( 1 9 5 2 ) 显 示， 不同区 域黑麦 种群中b染 色体在根尖 细胞 有丝分裂中期时的形态都十分类似， l i m a - d e - f a r i a ( 1 9 6 3 ) 观察了多个黑麦种群 减数分 裂粗线期 b染色体，发现它 们的 形态也相当一致。 根据 m u n t z i n g和 l i m a - d e - f a r i a ( 1 9 7 5 )的 描述，黑麦中的b染色体只有a染色体约一半大小， 并且是近端部着丝粒染色体。这种染色体是黑麦 b染色体的主要形式，因此也 被称为标准黑麦b染色体。 在大多数物种中很难检测到 b染色体对物种生长发育过程中外在性状的影 响， 因为这种影响就像多基因控制的性状一样， 复杂而且很难区分是环境的波动 还是a染色体组上基因的变化。其中，以黑麦b染色体对物种个体性状的影响 研究最多， 几乎涉及从种子萌发到种子的形成等物种个体生长的每一个方面( m u n t z i n g , 1 9 4 3 , 1 9 6 3 ; k i s h i k a w a , 1 9 6 5 ; mo s s , 1 9 6 6 ) . 当 b染色体的频率上升时，个体的生活力降低，这一点可以通过耕种能力 降低和成熟植株尺寸的减少得到反映。携带不同数目 ( 0 -4条)b染色体的黑 麦在 耕 种数量和麦杆重量方面的丰富 的实 验证 据 ( m u n t z i n g , 1 9 5 2 ) 也 很好 的 说 明了b染色体在降低黑麦活力方面的影响:随着b染色体数目的增加，黑麦个 体生长 密度和杆重都有所下降;当个体中含有奇数条 b染色体时，这种下降更 为明显。b染色体会延迟种子的萌发和花器官的发育。 与黑麦同属的 s e c a l e v a v i l o v i i自 然种群中不携带 b染色体，通过黑麦和 s e c a l e v a v il o v i i 之间的杂交和多次回交，可以将b染色体转移至s e c a l e v a v i l o v i i 种群中。带有 b染色体的种群个体生活力未受到影响，它们的繁殖力则会因携 带染色体的数目上升而下降 ( p u e t a s 等，1 9 8 5 ) 。在其它物种中b染色体的影响 也表现出类似的特征 ( j o n e s 和 r e e s , 1 9 8 2 ) . b a r k e r ( 1 9 6 0 ) 最早发现， 在蝗虫中b染色体会导致减数分裂时交叉频率的 上升。黑麦 b染色体与交叉频率的关系的报道也有很多，不同的研究者以不同 黑麦种群为材料，得到的结论存在相当大的出入。早在 1 9 6 7年，j o n e s 和r e e s ( 1 9 6 7 )就发现黑麦 b染色体对于交叉发生的平均频率不产生影响，但会因个 体携带b染色体的奇偶性而对染色体行为产生影响。 z e c e v i c 和p a u n o v i c ( 1 9 6 9 ) 则发现b染色体会使每个细胞中的交叉频率上升。a l v a r e z 提出这种影响来自b 染色体短臂。 t s u m o t 。 和s a s a k i ( 1 9 7 2 )的结果又显示在个别黑麦品系中，随着 b染色体数目的增加， 染色体发生交叉的频率会降低。 上述研究都是基于对黑麦 减数第一次分裂中期的观察获得的。d i e z 等 ( 1 9 9 3 )又对黑麦b染色体在减数 分裂偶线期和粗线期时的行为进行了研究，a 染色体联会的不规则行为，如多价 体的形成， 折叠配对， 非同源性配对以及粗线期连锁等现象与b 染色体数目 呈正 相关。 很多研究者对多种植物和动物中 b染色体与交叉频率的关系进行了同样的 研究( j o n e : 和r e e s , 1 9 8 2 ; b e l l 和b u r t , 1 9 9 0 ) 。 在大部分物种中b 染色体 会引 起交叉频率的上升，但在个别物种中，b 染色体又能使交叉频率降低，或者无变 化。 d a r l i n g t o n 指出b 染色体使物种中交叉频率上升，会为物种带来更多的 变异 ( j o n e s 和r e e s , 1 9 8 2 ) . b e l l 和b u rt ( 1 9 9 0 ) 则 提出 了 不同的 观点， 他们 认为b 染色体和常染色体之间可以看作是一种寄生关系。 a 染色体通过提高交叉频率为 其后代带来较多的变异， 使其后代个体能够抑制 b 染色体的积累。 与上述两种观 点不同的第三种观点则非常简单， 认为b 染色体引起交叉频率的变化无任何功能 和影响 ( b e l l 和b u rt , 1 9 9 0 ; j a y a l a k s h m i 和p a n t u l u , 1 9 8 4 ) . 在黑麦b染色体的传递过程中，父母本对b染色体的传递影响有所不同。 通过对几种杂交组合: o b x 2 b , 2 b x o b和2 b x 2 b的后代中b 染色体出现频率 的研究， p u e rt a s 等 ( 1 9 9 0 ) 发现b 染色体传递频率与母本密切相关。以2 b 个体 作为母本，o b个体作为父本进行杂交。 后代中， 含b染色体个体的频率会有很 大的变化，从 4 7 6 %不等。r o m e r a等 ( 1 9 9 1 )利用同样的杂交的方式进行了 更为详细的分析， 在2 b x o b的后代中可以分成两大类， 一类是个体含有b染色 体频率平均不足 1 条的; 而另外一类的频率平均值则大于2 两条。 在杂交后代中， 含有一条b染色体的个体的频率仅为1 . 6 %，远远低于杂交方式为o b x 2 b后代 中含有一条b染色体的个体频率， 后者为1 2 % ( p u e r t a s 等，1 9 9 0 ) ， 因此， 在黑 麦母本一方存在某种机制使 b染色体不分离。这种机制很可能是在减数第一次 分裂和第二次分裂时， 使染色体朝两极运动的方向发生了变化， 而且导致这种变 化的因素很可能在常染色体上。黑麦 b染色体的这种传递规律有时也称为母本 印 迹 作 用( m a t e rn a l im p r in t in g e f f e c t ) ， 即 当 杂 交的 母 本一 方 携带 有b 染 色 体时 ， 后代个体中携带b染色体的频率相对高且变化差异较大 ( p u e rt a s 等， 1 9 9 0 ) 。 在 不同黑麦种群中b染色体的传递频率会有差异， 不同种群的遗传多态性或许是b 染色体传递频率变化的原因 所在， 但具体情况还不被了解 ( r o m e r a 等，1 9 9 1 ) 0 在黑麦近源种 s . s e g a t a l e的很多 种群中也 都携带有 b染色体 ( a k i t a 和 s a k a m o t o , 1 9 8 2 ) 。 这些b染色体在形态上与标准黑麦b染色体十分相似。 通过 将生长于阿富汗的s e g a t a l 。 个体与来自 土耳其、 伊朗、 韩国 和日 本的栽培黑麦 分别进行杂交发现， 两个物种间的b染色体可以在减数分裂时相互配对， b染色 体在这两个物种中的同源性相当高，它们很可能是同一起源的，即黑麦中的 b 染色体出现在黑麦和近源种 s e g a t a l e在进化上互相分离之前 ( n i v a和 s a k a mo t o , 1 9 9 5 ) 。 玉米b染色体 玉米b染色体的研究资料虽不及黑麦b染色体丰富。但其特征在一定程度 上可以通过黑麦b染色体得到反应。 在玉米的很多品系中， a染色体具有非常明显的异染色质“ 结”( k n o b ) ， 这 些“ 结” 的 数目 和特征在不同品 系中 有所不同。 r h o a d e s 和d e m p a e y ( 1 9 7 3 ) 发 现在含有“ 结” 的玉米品系中， b染色体会在花粉粒第二次有丝分裂时表现出高 度异常的行为，其结果导致携带有 “ 结”的 a染色体丢失。染色体丢失的细节 是通过研究与“ 结” 紧密连锁的基因， 如胚乳形成和种子生长等相关基因获得的。 在花粉粒第二次有丝分裂的后期， 染色体会因异染色质 “ 结” 的紧密相连而不能 正常分离， 导致染色体分离受阻， 最终在染色体着丝粒和“ 结” 之间形成一种桥 状结构。随后在两条姊妹染色单体中的一条中发生“ 桥”的断裂， 结果在两个精 子细胞核中的一方缺少“ 结” 和染色体远端的部分;另外一方则表现正常。 那些 含有较大的 “ 结”的染色体更容易发生断裂。 通过玉米有无b染色体亲本间的正反交显示， b染色体的积累仅通过雄性一 方的某种机制进行。以 + b为母本的杂交后代中b染色体出现的频率介于父母本 之间;而以+ b为父本时，子代 b染色体出现的频率较高，其中含有偶数 2 , 4 条b染色体的个体占有很大比例。子代个体中以含偶数条b染色体的个体占优 势。参考 b染色体在花粉细胞分裂过程中的积累过程，可以发现在玉米中存在 与黑麦相类似的不分离机制 ( r u s c h e 等，1 9 9 7 ; c a r l s o n 和r o s e m a n , 1 9 9 2 ) 。 此 外，r o m a n等以实验说明含有b染色体的花粉细胞会优先受精，这也是也是有 利于b染色体积累的一种机制 ( j o n e s 和r e e s , _ 1 9 8 2 ) . 在玉米中似乎存在使 b染色体频率稳定的机制。当细胞内b染色体数目少 时， b染色体的联会能力增强， 单价体的行为有利于增加或保持b染色体在细胞 中的频率; 细胞中b染色体数目多时， b染色体联会减弱， 单价体数目 增加， 单 价体行为则倾向于减少b染色体在细胞中的频率，使后代 b染色体的数目 保持 在一定范围内 ( 齐克森，1 9 9 4 ) . b染色体的研究历史己近百年， 黑麦和玉米的b染色体生物学研究在一定程 度上反映出b染色体的总体特征。 但是， 对b染色体全面深刻的认识则有赖于 分子生物学技术手段的不断进步和对染色体的一般特征的详细了解。 因此， 若深 入了解b染色体的分子生物学特征， 首先要认识和熟知染色体d n a分子组成的 一般规律。 二、 染色体d n a 组成的一般特点 ( 一)染色体 c h r o m o s o m e ” 这个词由w a l d e y e r 于1 8 8 8 年定名， 用来指在细胞中能 被碱 性染料染色的杆状体。1 9 世纪最后2 0年和2 0 世纪初的细胞学，有关染色体的 研究获得了许多重要的发现， 如: 1 8 8 2 年对细胞分裂时染色体行为的描述， 1 8 8 3 年减数分裂的发现，1 8 8 4 年染色体数目的恒定性，1 9 0 0 年孟德尔遗传定律的重 新发 现， 1 9 0 1 年m c c l u n g 把性别决定与x 染色体联系在一起， 1 9 0 21 9 0 3 年s u tt o n 和b o v e r i 提出了 染色体遗传理论，同时s u tt o n 提出“ c y t o g e n e t i c s ”一词， 将细 胞学和遗传学结合在一起， 其研究内容包括染色体在有丝分裂、 减数分裂时的行 为，及其与基因重组、转移的关系 ( 郑国铝，1 9 8 8 ) 。现在染色体这一概念己经 成为包括原核生物、 真核生物及细胞器在内的基因载体的总称。 大部分原核生物 的染色体形态比较简单，只是一条裸露的或与少量蛋白质结合的 d n a或 r n a 双链或单链。 真核生物染色体的形态特征， 只有在核分裂过程中， 染色体缩短时 方可在光镜下观察到。在分裂间期的细胞中染色体为纤细的线状， 称为染色线 ( c h r o m o n e m a ) 。在有丝分裂中期， 染色线经过卷曲 和高度卷曲 c o i l i n g a n d s u p e r c o i l i n g ) 形成高级结构， 凝缩达到最高程度， 成为具有一定形态特征的染色 体 ( 翟中和等，2 0 0 0 ) . 通常每个染色体上只有一个着丝粒， 它在特定染色体上的位置较为恒定， 由 着丝粒可以 使染色体形成两臂。 根 据1 9 6 6 年芝加哥国际 会 议确定， 短臂用“ p 表示， 长臂用“ q ” 表示， 臂比 值以a = p / q 或p / ( p + q ) x 1 0 0 % 计算。 习 惯上 根 据 臂比值可以将染色体分为以下几种类型: 1 . 中着丝粒 ( m e t a c e n t r i c ) 染色体， 其着丝粒大约位于染色体中部， 两个染 色体臂长度大致相等 ( 1 .0 a 1 .7 ) ; 2近中着丝粒 ( s u b m e t a c e n t r o m e r i c )染色体，指着丝粒的位置靠近中 部， 使染 色体的 两 条臂明 显长 度不等 ( 1 .7 a 3 .0 ) ; 3 . 近端着丝粒 ( s u b t e l o c e n t r i c ) 染色体， 指着丝粒靠近染色体端部， 但还有 一定距离 ( 3 .0 a 7 .0 ) . ( 二) 异染色质 染色体臂依染色性质可分为常染色质和异染色质两种， 前者为浅染区域， 是 基因转录发生的主要区域，而异染色质致密深染，与其周围的浅染区域相区别 ( c a v a l l i 和p a r o , 1 9 9 8 ; h o l m q u i s t 等，1 9 9 8 ) 。 异染色 质是b 染色体的主 要成 分，以下将只集中于对异染色质的介绍。 异染色质因可以分为两大类:a 异染色质和0 异染色质。 序列分析显示a 异 染色质主要由重复序列和少量转座子组成， 0 异染色质则由转座子和少量卫星序 列组成 ( wa l l r a t h , 1 9 9 8 ) . 在果蝇中， 染色体异染色质的研究集中于4 号染色体的微小染色体重复序列 研究。 通过部分序列的测定和荧光原位杂交分析发现， 果蝇微小染色体上含有很 多短卫 星重复序列 ( s h o rt s a t e l l i t e r e p e a t , s s r ) : 脉冲凝胶电 泳的分析也显 示在 微小染色体上还在低复杂度序列区域 ( l e 等，1 9 9 5 ) ，在该区域中还发现有完整 的返转座子存在 ( s u n 等，1 9 9 7 ) . 玉米染色体异染色质染色特征明显， 研究历史已经很长( mc c l in t o c k , 1 9 2 9 , 1 9 3 0 ) 0 染色体异染色质的分布主要集中于着丝粒区域， 约有 1 0 0 mb 大小: 此外 异染色质在核仁组织区也有分布;在其它部位异染色质以结 ( k n o b )和染色粒 ( c h r o m o m e r e s )的形式分布于染色体的两臂和端部。玉米异染色质结与品系的 质量和数量性状有关， 并对染色体重组的频率和小抱子分裂时的染色体行为产生 影响， 其数量、 大小在不同玉米品系中有所不同， 具有稳定的多态性。 玉米染色 质结己 经成为现代玉米细胞遗传学染色体研究的重要路标 ( r i c h a r d s 和d a w e , 1 9 9 8 ) . 在经典细胞学和遗传学的研究中，染色质结是染色体间能否发生交换 ( c r o s s o v e r ) 的依据。 p e a c o c k 等在玉米异染色质结中发现一个重复单位为1 8 0 b p 的冗余序列，该序列为 “ 结”中d n a的主要组成成分，但是在着丝粒和核仁组 织区的异染色质区却没有发现该冗余序列 ( v i o tt i 等，1 9 8 5 ) . a n a n i e v 通过玉米 9号染色体在燕麦中的附加系分析又发现了新的冗余重复序列，其重复单位为 3 5 0 b p ， 命名为t r - 1 。这一区域的d n a组成除了 冗余序列t r - 1 外，还存在大 量的返转座子， 这些返转座子可以占异染色质结d n a组成的3 5 %。 这一结果显 示异染色质结区的d n a组成要复杂于以 前的 判断。 t r - 1 与1 8 0 b p 重复序列之间 有3 1 b p 同 源性较高， 在这3 1 b p 中， 6 4 %的 序列 相同。 通 过t r - 1 和1 8 0 b p 重复 序列的比较原位杂交显示在不同的异染色质结中， 二者的组成比 例不同， 有的结 中主要是t r - 1 的重复，而有的结中主要是后者，且这两种重复序列可以是相互 交叉分布的。 此外， t r - 1 可以使d n a形成回旋折叠结构， 这一发现为研究玉米 异染色质结的形成提供了新的想像空间， 例如a n a n i e v 等 ( 1 9 9 8 ) 就认为异染色 质结构的形成主要是t r - 1 使d n a反复折叠的结果。 模式植物拟南芥中异染色质大多分布于靠近着丝粒的部位、 核仁组织区以及 2号和 4号染色体的末端。这些区域包含上百 k b的冗余重复序列 ( r a n d e m l y r e p e a t e d s e q u e n c e s ) ( c o p e n h a v e r 和p i k a a r d , 1 9 9 6 ; r o u n d 等， 1 9 9 7 ) ， 部分异染 色质区 域中， 含 有重复单位为1 8 0 b p的 卫 星重复 序列和a t h i l a 家族的 返转座子 ( p e l i s s it e r 等， 1 9 9 6 ; b r a n d e s 等1 9 9 7 ; h e s l o p - h a r r i s o n 等， 1 9 9 9 ) 。 由于异染色 质区域中分布丰富的卫星序列， 对其完整测序时正确拼接序列非常困难。 冷泉港 实验室最早完成了 拟南芥4 号染色体短臂上异染色质结及其附近2 . i mb 的d n a 全序列测定( m c c o m b i e 等， 2 0 0 0 ) 。 在该 异染 色质结中， 存在重复单 位是1 9 5 0 b p 的重复序列， 每一个重复单位中， 包括长3 1 b p 的末端正向 重复。不同重复单位 之间具有 2 % - 8 %的序列差异;利用外显子预测程序在重复单位中未找到任何 外显子。 序列分析显示，这一段序列与2 号染色体上的 两个s p m家族转座基因 序列t 1 9 k 2 1 .3 和f 1 7 l 2 4 . 8 有同 源性。 这一异染色质结中 基因密度相当 低， 不足 其邻近 2 . 1 mb区域基因密度的十分之一，且被转座子和冗余序列等重复序列所 分隔。 异染色质结区的序列高度甲 基化， 其程度与染色质的组装密切相关。 其它 的研究 ( d o r e r 和h e n i k o f f , 1 9 9 4 ; g r e w a l 和k l a r , 1 9 9 7 ) 发现，与卫星重复序 列相比， 冗余重复序列与染色质结构致密化的关系更密切， 它们表现出的基因沉 默和对核酶的敏感性等特征都与异染色质特征相对一致。 ( 三)转座因子 孟德尔遗传定律被重新发现和摩尔根连锁定律的建立， 使研究者认为物种基 因组是相对稳定的，其中的序列顺序也是固定不变的。 b a r b a r a mc c l i n t o c k 于4 0 年代 ( 1 9 4 7 )在玉米遗传学研究中发现， 基因或者是d n a序列可以在非同源染 色体之间发生跳跃性的转移，但这一重大发现在当时没有得到重视。直到 1 9 6 8 年， 从分子水平上证实了大肠杆菌中存在转座元件后， 有关转座现象的研究才得 到应有的重视。 基因组学的 研究显示， 在高等生物中转座因子是物种基因组重要 的 组分 ( l o n n i g 和s a e d l e r , 1 9 9 7 ) . 转 座因 子( t r a n s p o n s a b l e e l e m e n t s , t e ) 是 转座遗传因子( t r a n s p o n s a b l e g e n e t i c e l e m e n t s )的简称 ( 刘祖洞，1 9 9 5 ) ，根据其转座模式的不同可以 将其分为两类 ( k i d w e l l 和l i s c h , 1 9 9 7 ) :一类由d n a到d n a ，如玉米中的a c / d s ，果蝇中 的p 因子和线虫中的t a m :另一类由d n a到r n a再到d n a ， 它们包括长散布 元件和 短散布 元件 ( l o n g o r s h o r t i n t e r s p e r s e d e l e m e n t s , l i n e 或s i n e ) ，以 及与 反转录 病毒十分类似的l t r元件 ( m c c l u r e , 1 9 9 3 ) ， 果蝇中 的g y p s y 元 件就是 返转座子与病毒类似的一个例子 ( b u c h e t o n , 1 9 9 5 ) 。转座因子是动物和植物基 因组中中度重复序列的主要组成部分， 它们的拷贝数从几个到几万个不等， 例如， 在玉米基因组中，转座子和返转座子的成分在基因组中的比例超过 5 0 ( b e n n e t z e n 等， 1 9 9 8 ) ; 在果 蝇中 这一比 例约为1 0 - 1 5 % ( p i m p i n e l l i 等， 1 9 9 5 ) , 而且大多数存在于着丝粒异染色质区。 1 . dna-d na d n a直接从基因组中一个位置转移到另外一个位置的过程即为转座。转座 以很低的频率发生， 插入的靶序列具有随机性，既可以插入到结构基因中， 又可 以插入到基因调控序列内， 与转座子和靶位点之间序列的同源性无关。 促进转座 的酶称为转座酶， 转座子常常编码它自己的转座酶， 并在每次移动时携带转座必 需的基因一起在基因组中跳跃。转座子按其结构的复杂程度，可以分为: 插入序列 最早 被鉴定的转座因子是细菌操纵子中的自主序列。 这种序列可以阻止其插 入部位基因的转录。 到目前为止在已经鉴定的许多种不同类型转座元件中， 插入 序 列i s ( in s e rt io n s e q u e n c e s ) 是己 知 最 简 单的 转 座子。 i s 元件 是 独 立的 结 构 单 元， 每个元件编码自身转座所需要的蛋白质。每种 i s元件在序列上有所不同，但它 们又都具有共同的结构特征。 、 i s元件的两端为短的反向末端重复 ( i n v e rt e d t e r m i n a l r e p e a t s ) 序列， 通常这两个拷贝 密切相 关， 但并不 完 全一样。当 一 个i s 元件转座时， 靶位点d n a序列会被被复制。因此， i s 总是介于很短的正向重复 序 列( d ir e c t r e p e a t s ) 之间。 此重复 序 列的 长 度 是 恒定 的， 通 常为3 - 5 b p 。 因 此， i s 元件具有十分典型的结构:末端为反向重复序列， 而与其相连的宿主d n a为 短的正向 重复序列。 这一特征可以 用来识别i s 转座子 ( l e w i n , 1 9 9 4 ) 0 复合型转座子 有的转座子除携带与转座有关的基因外，还具有抗药性标记和由i s元件组 成的两 端。 这一类较大的 转座子被称为复 合型 转座子 ( c o m p o s i t e t r a n s p o s o n s ) o 复合型转座子转座时可以是其自 身， 也可以是两个或多个复合型转座子一起发生 转 座， 此 时 会 引 起 两 个 转 座 子 之 间 的 基 因 片 段 扩 增。 就 转 座 的 机 制 而 言 ， 存 在 着 三种转座形式: 第一种转座形式是复制型转座，即在转座反应过程中， 转座元件 被复制， 转座序列的 拷贝数上升; 第二种是非复制型转座， 转座元件作为一个实 体直接由 一个部位转移到另一个部位， 在原来的位置留下缺口; 第三种是保守型 转座， 转座元件直接从供体部位插入到靶部位 ( l e w i n , 1 9 9 4 ) 。以下将着重介绍 玉米基因组中的转座子及其结构。 早在2 0 世纪4 0 年代就发现， 玉米的基因组在体细胞分裂时会发生变化， 而 引起这些变化的控制元件可以由一个部位转移到另一个部位。 mc c l i n t o c k ( 1 9 4 7 ) 最先用遗传学的方法对这些控制元件进行了鉴定。 由于控制元件常常插入在表型可见但无致死效应的基因附近， 因此由 表型改 变的细胞出现范围， 可以 推测其转座过程的发生和时间。 该过程的具体情况并不 重要， 可能是插入、切除或染色体的断裂; 重要的是它发生在杂合子上并改变等 位基因的表达 ( m c c l i n t o c k , 1 9 7 8 ) 。经历这种过程的细胞的后代即具有一种新 表型， 而未受影响的细胞的后代则继续显现原有表型。 在体细胞发育过程中表型 的改变被称为斑驳现象( v a r i e g a t i o n ) ， 其表现为在原有表型组织内的一部分 细胞 显示出新的表型。 新表型的面积大小与基因型改变时间的长短相对应， 即在细胞 谱系中它出现得越早， 其后代的数目 就越多， 在成熟组织中的体积也就越大。 斑 驳现象可清楚地见于谷粒颜色， 即一块新的颜色出现在另一种颜色内。 控制元件 的插入可能会影响相邻基因的活性，在控制元件存在的那些部位，缺失、复制、 倒位和易位都可能发生。染色体断裂是某些控制元件存在的常见结果。 控制元件以 d s ( d i s s o c i a t i o n )元件为代表 ( l e w i n , 1 9 9 4 ) 。该元件因能提 供染色体断裂位点而被鉴定。在一个杂合子中， d s位于着丝粒和一系列显性标 记 ( c i , b z 和 叭) 之间，而另一个同源染色体上缺乏d s ，并含有隐性标志 ( c , 6 z 和w x ) 。在d s 处断裂产生一个携带显性标志的无着丝粒的片段，由于缺乏着 丝粒， 该片段在有丝分裂过程中丢失。 这样后代细胞中只含有完整染色体携带的 隐性标志。在d : 处的断裂可导致两个异常染色体的形成。它们是通过复制产物 断端相互连接而产生的。 一个是u形的无着丝粒片段， 它是由d s 远端的姐妹染 色单体连接而成。另一个是u形的双着丝粒染色体，由d s 近端的姐妹染色体连 接组成。后者的结构导致典型的断裂一 融合一 桥循环。当双着丝粒染色体在有丝分 裂纺锤体上发生分离时， 其结局如下， 两个着丝粒被向相反的一极牵拉， 这种力 量使染色体在两个着丝粒之间的随机部位发生断裂。 这种断裂一 融合一 桥循环随着 细胞的进一步分裂而继续进行，这使子代继续发生遗传学的改变。 玉米基因组内含有几个控制元件家族， 它们的数量、 类型和位置在不同玉米 品系内皆不相同。 玉米每个控制元件家族都是由一个单一类型的自主元件和许多 不同的非自 主元件所组成的。 自 主元件 ( a u t o n o m o u s e l e m e n t s ) 有切除和转座的能力。自 主元件具有持续活性， 在任何基因座位， 它的插入 都产生一个不稳定的或易变的等位基因。元件本身的改变或者其转座能力的丧 失，会使一个不稳定的等位基因转化成为一个稳定的等位基因。 非自 主元件 ( n o n a u t o n o m o u s e l e m e n t s ) 非自主元件是在自主元件丧失了转座必需的反式作用功能后产生的。 非自 主 元件不具转座能力。 在一个家族中的非自 主元件也可通过自 主元件的反式作用而 被激活。 只有同一家族的一个自 主元件在该基因组的特定部位存在时， 非自主元 件才变得不稳定。 当一个非自主元件与一个自 主元件反式互补时， 非自 主元件可 具有同一个自 主元件类似的活性，包括转座到新位点的能力等。 在分子水平上， 这些玉米的转座子都具有一个共同的结构特征: 其末端为反 向 重复，并在靶d n a中产生短的正向重复序列。 a c ( a c t i v a t o r e l e m e n t ) 元件家 族和s p m元件家族是己被充分鉴定的转座子家族 ( s c h w a r z - s o m m e r 等，1 9 8 4 ) 0 在植物基因组中每个转座子家族通常又由几个成员组成 ( 大约 1 0个) 。通过对 a c i d : 家族自 主和非自 主成员的分析， 获得了