第4章连锁互换与基因作图.ppt

第4章连锁互换与基因作图 4 1连锁遗传4 2遗传图的构建 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 Morganetal 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 theoryofthegene 4 1连锁遗传 1 连锁遗传的现象 性状连锁的遗传现象是贝特生 Bateson W 等于1905年在香豌豆的两对性状杂交试验中首先发现的 上述两个试验的结果表明 同一亲本所具有的两对性状 有连系在一起遗传的倾向 这种现象称为连锁 linkage 在第一试验中 一亲本的两对基因均为显性 另一亲本的两对基因均为隐性 这样的组合方式称为相引 coupling 在第二试验中 二个亲本都分别带有一对显性基因和一对隐性基因 这样的组合方式称为相斥 repulsion 2 性状的分解分析第一个试验 紫花 红花 4831 390 1338 393 5221 1731 3 1长花粉 圆 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 圆花粉 226 97 95 1 323 96 3 1说明两个单位性状的综合分离不符合独立分配规律 但每个单位性状而言 仍是受分离规律支配的 3 连锁遗传的原因与验证独立分配遗传的前提是F1个体形成的不同配子比例相同 对于2对性状而言 F1产生四种配子 比例为1 1 1 1 如果不是这样 F2就不可能获得原来的理论比例 由此可以推论 在连锁遗传中 F1形成多种的配子不相等 可用测交法加以验证 因为测交后代的表现型种类及比例就是F1配子的种类及其比例的具体反映 上述测交结果可以看出 F1虽然形成四种配子 但四种配子的比例显然不符合1 1 1 1 而是两种亲型配子pr vg 和prvg多 两种重组型配子pr vg和prvg 少 并且 两种亲型配子数大致相等 为1 1 两种重组型配子数也大致相等 为1 1 相引相 果蝇眼色与翅膀长的遗传 红眼长翅 紫眼残翅 红眼长翅 紫眼残翅 紫眼长翅 红眼残翅 相斥相 果蝇眼色与翅膀长的遗传 相斥组的测交试验结果与相引组的基本一致 同样证实F1的四种配子数不相等 两种亲型配子 pr vg和prvg 数多 两种重组型配子 pr vg 和prpr 数少 而且分别为1 1 红眼残翅 紫眼长翅 紫眼残翅 红眼长翅 红眼残翅 紫眼长翅 4 重组率 percentageofrecombination 上述结果均说明重组型配子百分率 50 重组型的配子百分数称为重组率 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 重组率 通常是通过测交后代出现的重组型个体的多少来计算 在测交后代中 重组率可以用重组型个体数占个体总数的百分率来计算 应用这个公式估算交换值 首先要知道重组型配子数 测定重组型配子数的简易方法有测交法和自交法两种 重组型配子数重组率 100配子总数 重组型个体数重组率 100测交子代的个体总数 1 交换值的测定 a 测交法以玉米籽粒颜色和形状这两对连锁基因为例 来说明估算交换值的方法 玉米籽粒的有色 C 对无色 c 为显性 饱满 Sh 对凹陷 sh 为显性 相引组求得 重组型配子数 149 152 301总配子数 4032 149 152 4035 8368交换值 301 8368 100 3 6 两种重组配子各1 8 用测交法测定交换值的难易不同 玉米 烟草 去雄和授粉容易 可结大量种子 麦 稻 回交去雄难 种子少 故宜用自交测定法 F2资料 b 自交法例如第一节中的香豌豆资料 F2有四种表现型紫长紫园红长红园F1有四种配子PLPlpLpl 设各配子的比例为abcdF2组合为 aPLbPlcpLdpl 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 双隐 个体数为1338株 相引数 双隐个体表现型比率 d2 1338 6952 100 19 2 由于44 25 故pl是亲本型配子 而另一亲本型配子PL的频率应是相等的 故均为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44PL 6pl 6pL 44pl或0 44 0 06 0 06 0 44交换值 6 2 12 是两种重组型配子之和 理论上 重组率的变动范围在0 50 之间 当重组率为0时 说明两对基因之间不发生换 为完全连锁 当重组率为50 时 两对基因服从独立分配 不存在连锁关系 当0 重组率 50 时 两对基因是不完全连锁 2 交换值与连锁强度的关系 交换值的幅度经常变化于0 50 之间 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 3 影响交换值的因子 a 性别 雄果蝇 雌蚕不发生交换 b 温度 家蚕第二对染色体上PS Y PS黑斑 Y幼虫黄血 饲养温度 3028262319交换值 21 4822 3423 5524 9825 86c 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 d 其它 年龄 染色体畸变等也会影响交换值 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 例如 3 6 即可称为3 6个遗传单位遗传单位值愈大 两基因间距离愈远 愈易交换 遗传单位值愈小 两基因间距离愈近 愈难交换 基因间的距离与交换值 遗传距离 连锁强度 5 完全连锁和不完全连锁 1 完全连锁 completelinkage 在同一同源染色体上的两个非等位基因总是连系在一起而遗传的现象 F1自交或测交 其后代个体的表现型只表现为亲本组合的类型 完全连锁后代的表现与一对基因的遗传很近似 即自交结果为3 1分离 测交结果为1 1分离 完全连锁遗传的自交后代和测交后代的比较 1906年贝特生等在香豌豆中首次发现连锁遗传的现象以后不久 摩尔根等用果蝇为材料进行研究 结果证明 具有连锁遗传关系的一些基因就是位于同一染色体上的那些非等位基因 摩尔根用灰身长翅的雌果蝇 BBVV 和黑身残翅的雄果蝇 bbvv 进行杂交 然后用F1中的灰身长翅的雄果蝇和黑身残翅的雌果蝇进行杂交 后代中只出现了两种亲本类型 黑身残翅和灰身长翅 完全连锁 灰身长翅 黑身残翅 由于F1杂合雄蝇 BbVv 只产生两种类型的配子 数目相等 所以用双隐性雌蝇测交的后代 只能有两种表现型 比例为1 1 2 不完全连锁 incompletelinkage 是指同一同源染色体上的两个非等位基因并不总是连系在一起遗传的现象 测交后代中大部分为亲本类型 少部分为重组类型的现象 不完全连锁F1不仅产生亲型配子 也产生重组型配子 不完全连锁 灰身长翅 黑身残翅 当两对非等位基因为不完全连锁时 F1不仅产生亲本型配子也产生重组型配子 灰身长翅灰身残翅黑身长翅黑身残翅 1 交换 同源染色体非姊妹染色单体间基因的互换 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 6 交换与不完全连锁的形成 问题提出 重组型的配子如何产生的 为什么重组率总是少于50 回答这些问题 就必须从减数分裂过程中非姊妹染色单体之间发生的交换谈起 ShC shc 二分体 ShC ShC ShC ShC ShC shc shc shc shc shc shC Shc CSh CSh CSh cSh Csh csh csh csh 四分体 全部亲本型 1 2亲型1 2重组型 F1 交换 交换 F1 新 新 新 由于发生了交换而引起同源染色体间非等位基因的重组 打破原有的连锁关系 因而表现出不完全连锁 所谓交换 是指同源染色体的非姊妹染色单体之间的对应片段的交换 从而引起相应基因间的交换与重组 交换都发生在同源染色体相靠近的非姊妹染色体之间 而另外两条不交换 一部分染色体交换发生在连锁基因之内 产生重组配子 1 2重组 1 2亲型配子 另一部分交换发生在连锁基因之外 产生非重组配子 所以重组型配子自然少于50 举例 假定在杂种的100个孢母细胞内 有7个交换发生在基因之内 其他93个交换发生在两连锁基因之外 交换后的情况见表 ShC shc 亲本型配子重组型配子总配子数CShcshCshcSh93个孢母细胞在连锁186186区段内不发生交换93 4 372个配子7个孢母细胞在连锁7777区内发生交换7 4 28个配子40019319377 亲本组合 193 193 400 100 96 5 重新组合 7 7 400 100 3 5 重组率 3 5 等于发生基因之内交换的孢母细胞的百分数一半 7 连锁遗传的细胞学基础 在减数分裂过程中 位于同一染色体上距离靠近的两个基因 在基因分离时有保持在一起的倾向 同一染色体上两个基因发生的部分连锁是减数分裂过程通过出现交换使它们彼此分开的结果 由于交换发生在同源染色体的两个非姐妹染色单体之间 因此任何一个交换只涉及一对同源染色体上4条染色单体中的两条染色单体 所以重组型配子自然少于50 根据连锁遗传的关系 一个生物的一系列基因座位可以划分为若干个连锁群 linkagegroup 在染色体中具有不同的连锁程度并按线性顺序排列的一组基因座位 基因座位的连锁关系可以通过重组率来分析 一个生物连锁群的数目通常与染色体的对数是一致的 即与二倍体生物中的单倍体染色体数目相同 8 连锁群 4 2遗传图的构建 每个基因在染色体上通常有固定的座位 locus 遗传作图的主要任务就是要测定基因座位在染色体上的排列顺序和相互间的遗传距离 大多数基因很难直接识别 因此通常利用容易识别的遗传标记来构建遗传图 把基因组的 版图 测绘出来 以便通过遗传图从基因组中找到所需要的基因 1 连锁分析 1 两点测验 两点测验 two pointtestcross 是测定标记间距离的基本方法 这种方法是通过一次测交来确定两个标记之间的重组率 两点测验只能测定两标记之间的距离 但不能确定标记的排列顺序 红眼大翅 突变型 在2441只F2果蝇中 900只 36 9 表现为重组的表现型 由此计算出果蝇白眼 w 和小翅 m 两个基因之间的重组率为36 9 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 三点测验 three pointtestcross 是通过一次杂交和一次用隐性亲本测交 同时确定三个基因之间的遗传距离和排列顺序的方法 采用三点测验可以达到两个目的 一是纠正两点测验的缺点 使估算的交换值更加准确 二是通过一次试验同时确定三对连锁基因的位置 2 三点测验 指一次测交同时包括3个基因 同时考察3个基因的顺序 几个概念 重组与交换 重组是指基因的重新组合 交换是指染色体片段的交换 单交换和双交换 单交换是指在考察区域内发生了一次交换 双交换是指发生了两次交换 双交换的特点 双交换的比率最低 如果3个基因是自由组合的 则8种配子的比率为1 1 1 1 1 1 1 1 如果是连锁的 则非交换 单交换 双交换 双交换的结果是3个基因中只有中间的基因位置发生改变 另两个基因位置不变 重组值与交换值的区别 发生双交换后 头尾两个基因间发生了两次交换 但两基因没有重组 理论上说 染色体图距应由交换值表示 但我们能观察到的只有表型 基因 的重组 3 基本原理3对基因之间可能只发生一次交换 也可能发生二次交换 即双交换doublecrossingover 发生二次交换的可能性肯定是较少的 所以先找出发生双交换的个体 然后罗列出三对基因可能的排列顺序 再分析可能交换的基因型 以推出亲本的基因排列 确定三对基因的排列顺序 ShWXC shwxc ShWXC shwxc ShWXC shwxc 单交换 双交换 基因位置排定后 进一步估算交换值 以确定它们的距离 值得注意的是每个双交换都包括两个单交换 所以在估算两个单交换值时 应该分别加上双交换值 才能正确反映实际发生的单交换频率 举例 玉米Cc Shsh和Wxwx三对基因的定位杂交和测交结果见下表 判断这三对基因是不是独立遗传如果是 测交后代八种表现型比例彼此相等 仅为一类比例 结果 不等 差别很大 独立遗传 B 判断是否为二对基因连锁 位于同一条染色体上 一对独立 即位于另一条染色体上 如果是 测交后代八种表现型就应该每四种表现型的比例一样 总共只有两类比例值 结果 不是 确定为三对连锁遗传 C 找出两种亲本表现型和两种双交换表现型 并写出F1和两种双交换配子的基因型 产生配子饱满 糯性 无色 wxc wxc亲型F1凹陷 非糯性 有色sh sh 饱满 非糯性 有色 双交换型凹陷 糯性 无色shwxc D 对F1基因型基因顺序进行可能的排列 wxcwx cwxc sh sh sh 从 D 推断可得知只有 才能产生shwxc和 双交换的配子所以基因排列顺序为wxshc或cshwx 即sh位于wx和c中间 sh wx c E 对上面三种排列的基因型进行双交换观察 看哪一种排列双交换后将产生shwxc和 的配子 关键是确定中间一个基因 一般以最少的双交换型与最多的亲型相比 可以发现只有sh基因发生了位置改变 所以sh一定在中间 F 计算wx和sh sh和c之间的交换值 双交换值 4 2 6708 100 0 09 wx和sh间的单交换值 626 601 6708 100 17 5 wx c cwxsh sh wx和sh间的实际单交换值 17 5 0 09 18 4 sh和c间的单交换值 113 116 6708 100 2 41 wx c wx shc sh sh和c间的实际单交换值 2 41 0 09 3 5 sh 这样 三对基因在染色体上的位置和距离可以确定如下 wx c 21 9 18 4 3 5 三点测验解题步骤 1 确定基因在染色体上的位置利用三点测验 首先要在Ft中找出双交换类型 即个体数最少的 然后以亲本类型 即个体数最多的 为对照 在双交换中居中的基因就是三个连锁基因中的中间基因 它们的排列顺序就被确定下来 现仍以玉米Cc Shsh和Wxwx三对基因为例 说明三点测验法的具体步骤 凹陷 非糯 有色 饱满 糯性 无色 根据F1的染色体基因型有三种可能性 sh wx在中间 wx sh sh在中间wx c sh c在中间wxc 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 wxc和sh 为亲型 和shwxc为双交换配子类型其它均为单交换配子类型 sh wx在中间 wx sh sh在中间wx c sh c在中间wxc 第 种排列顺序才有可能出现双交换配子 sh sh在中间wx c 所以这三个连锁基因在染色体的位置为wxshc 关键是确定中间一个基因 一般以最少的双交换型与最多的亲型相比 可以发现只有sh基因发生了位置改变 所以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 由于每个双交换中都包括两个单交换 故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 21 9 18 4 3 5 wxshc 2 交换干扰与作图函数 1 交换干扰 干涉 即一个单交换发生后 在它邻近再发生第二个单交换的机会就会减少 这种现象叫干涉 例 上例理论双交换值 0 184 0 035 0 64 而实际双交换值 由重组推算的 只有0 09 所以出现干扰 干涉 现象 符合系数 并发率 对于受到干扰的程度 通常用符合系数来表示 符合系数 并发率 C 实际双交换值 理论双交换值例 上例的符合系数 0 09 0 64 0 14 干扰值I 1 C当I 0时 没有干扰 C 1 当I 1时 则没有双交换发生 发生完全干扰 大多数情况下0 I 1 但在一些特殊情况下 实际观察值比理论值大 称为负干扰 即一个单交换发生可提高另一单交换发生的频率 2 作图函数 计算两个相距较远的基因座之间的图距时 如果中间没有其他基因座可用 则两个基因座之间实际发生的双交换就不能被鉴定出来 而由于双