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第四章连锁交换定律 1 第一节连锁与交换 位于一对同源染色体或性染色体上基因的遗传规律 2 性状连锁遗传的发现 1905年 W Bateson和R C Punnet研究了香豌豆两对性状的遗传 一对是花的颜色 紫花对红花为显性 一对是花粉形状 长形对圆形为显性 紫长紫圆红长红圆P L P llppL ppll观察数48313903931338按9 3 3 1推算3910 51303 51303 5434 5 F2不符合9 3 3 1的分离比 亲本组合比理论数多 重组组合比理论数少 P 0 01 3 紫圆PPll 红长ppLL 紫长PpLl 紫长紫圆红长红圆P L P llppL ppll观察数22695971理论数235 878 578 526 2 结果和前次的相近 仍不符合孟德尔定律 亲本组合比理论数多 重组组合比理论数少 P 0 01 4 相引组 甲乙两个显性性状 连系在一起遗传 而甲乙两个隐性性状连系在一起的杂交组合 如 PL pl 相斥组 甲显性性状和乙隐性性状连系在一起遗传 而乙显性性状和甲隐性性状连系在一起的杂交组合 如 Pl pL 5 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 圆花粉 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 圆花粉 226 97 95 1 323 96 3 1花色和花粉形状分离比符合3 1 表明都是由单基因控制的 以上结果都受分离规律支配 但不符合独立分配规律 6 在独立遗传的情况下 F2群体中9 3 3 1的分离比例是以F1形成四种配子且数量相等为前提条件的F2不符合9 3 3 1 则说明F1产生的四种配子不等 可以用测交法再检验一下相似实验中F1产生的配子的种类和比例 因为测交后代的表现型种类及其比例就是F1产生的配子的种类和比例的直接反映 7 无色 凹陷ccshsh 上述结果证实F1产生的四种配子不等 不是1 1 1 1 亲本组合 4032 4035 8368 100 96 4 重新组合 149 152 8368 100 3 6 8 摩尔根的果蝇杂交试验 pr pr vg vg 红眼长翅 prprvgvg 紫眼残翅 F1pr prvg vg prprvgvg pr prvg vg1339 prprvgvg1195 pr prvgvg151 prprvg vg154 P 测交 相引组 9 亲本具有的两对非等位基因 Cc和Shsh或pr pr和vg vg 不是独立分配 而是连系在一起遗传 如C Sh c sh或pr vg 和prvg常常连系在一起 F1配子中总是亲本型配子 CSh和csh或pr vg 和prvg 数偏多 重新组合配子 Csh cSh或pr vg和prvg 数偏少 分别接近1 1 10 亲本组合 21379 21096 43785 100 97 01 重新组合 638 672 43785 100 2 99 11 F1pr prvg vg prprvgvg 测交 相斥组 相斥组的结果与相引组结果一致 同样证实F1形成的四种配子数不等 亲本型配子偏多 重组型配子偏少 12 连锁交换定律 1910年 Morgan和Bridges用果蝇进行了大量的杂交实验 提出了连锁交换定律 被后人誉为遗传的第三定律 处在同一染色体上的两个或两个以上的基因在遗传时 联合在一起的频率大于重新组合的频率 重组类型的产生是由于配子形成过程中 同源染色体的非姐妹染色单体间发生了局部交换的结果 13 一种生物的性状是成千上万的 然而 每一种生物所具有的染色体却是十分有限的 少则一对两对 多也不过几十对几百对 因此 一条染色体上必然载有许多基因 连锁 linkage 处于同一条染色体上的基因遗传时较多的联系在一起的现象 14 果蝇的完全连锁和不完全连锁 灰长 黑残 BBVVbbvv 灰长黑残BbVvbbvv1 1 灰长BbVv 黑残 bbvv 灰长 BbVv 黑残bbvv 42 8 42 8 15 摩尔根的解释 假定基因B和V同处于一条染色体上 基因b和v同处于同源染色体的另一条染色体上 完全连锁 连锁基因之间不发生非姐妹染色单体间的交换 只形成两种亲型配子 没有重组型配子产生不完全连锁 连锁基因之间发生非姐妹染色单体间的交换 不仅形成两种亲型配子 同时形成两种重组型配子 亲本类型多于新类型 16 配子 F1 完全连锁 雄果蝇和雌家蚕完全连锁 两个特例 17 不完全连锁 18 基因重组与染色体交换的证实 1931年 McClintock和她的女博士生B Creighton以玉米为材料进行了一项试验 为染色体交换导致遗传重组提供了第一个有力的证据 19 一 玉米实验麦克林托克 McClintock B 克莱顿 Creighton B No 9染色体C 色素基因wx 糯质基因或蜡质基因knob 节结来自第8染色体的附加片段 20 9号染色体 色素基因C有色对c无色 非糯Wx对糯wx 纽结 knob 来自第8号染色体的附加片段 配子 c wx C wx 21 22 在B Creighton和McClintock的结果发表没几周 C Stern又发表了果蝇实验的证据 CurtStern 1902 81 23 二 果蝇实验 斯特恩 Stern C X染色体car Carnation 粉红眼隐性基因B Bareye 棒状眼显性基因 24 配子 Y染色体的易位片段 缺失的片段 果蝇X染色体 c为隐性突变 纯合体为粉红色 正常为红色 B为显性突变 表型为棒状眼 25 26 交换与不完全连锁的形成 交换发生在什么时期 交换将产生什么样的结果 为什么重组值小于交换值 重组值为什么小于50 重组值越接近50 为什么基因间的交换越难察觉 图距 1 重组值 1cM 厘摩 27 减数分裂的前期I同源染色体会相互配对 称联会 synapsis 同源染色体在粗线期发生染色体的交换 在双线期时 同源染色体之间可以见到交叉现象 交叉现象标志着同源染色体的非姊妹染色单体的对应区段发生了交换 由于发生了交换 而导致同源染色体间非等位基因的重组 打破原来的连锁关系 而表现为不完全连锁 粗线期 双线期 交换 28 染色体内重组是交换的结果 但交换一定会导致重组吗 两基因间发生奇数次交换才导致重组 29 基因间的距离越远 发生交换的机会越多 因此交换值 crossing overvalue 的大小可以用来表示基因间距离的长短 但由于无法直接测定交换率 只有通过基因的重组率 recombinationfrequency 来估计交换频率 30 重组值 也叫重组率 重组型配子占配子总数的百分比 31 有时虽发生了交换 如双交换 但没有导致重组因此 重组值并不完全等于交换值 发生多次交换时重组值小于交换值 重组值是否等于交换值 32 玉米籽粒的糊粉层颜色基因C和饱满度基因Sh是连锁的 杂交F1代进行测交有如下结果 重组型 重组率RF 301 8368 3 6 33 减数分裂中染色体的交换 重组值为什么小于50 34 若交叉发生在Sh C之间 表示有一半的染色单体在这两个基因之间发生过交换 所以在形成的配子中 有一半是亲本型组合 有一半是重新组合 假设有一个孢母细胞中的交叉发生在Sh C之间 最后形成四个配子 其中两个是亲本型 两个是重组型 所以 即使所有的孢母细胞中在Sh C之间都发生交叉 交换 也就是说100 的小孢母细胞都在Sh C之间发生交换 最多也只能形成50 的重组型配子 35 单交换时重组率最多为50 那么双交换甚至多交换时情况如何呢 一对同源染色体间如果出现两个交叉 就交换所涉及的染色单体来讲 邻接的两个交换的关系有三种 包括两条染色单体的两线双交换包括三条染色单体的三线双交换包括四条染色单体的四线双交换 36 0重组 50 重组 100 重组 不考虑染色单体干涉的情况下三种交换的频率之比应该为1 2 1 重组率最多50 三次 四次或更多次交换也不会超过50 重组 37 交换值的幅度经常变化于0 50 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多 交换值的大小主要与基因间的距离远近有关 38 假设Rf 10 4555459 1 1 9 假设Rf 46 272323271 1 1 1 很难分辨连锁还是自由组合 重组值越接近50 为什么基因间的交换越难察觉 39 重组值显然小于50 是基因连锁的证据 重组值接近50 则并不是基因不连锁的证据 40 影响交换值的因子 性别 雄果蝇 雌家蚕未发现染色体片段发生交换 温度 家蚕第二对染色体上PS Y PS黑斑 Y幼虫黄色 饲养温度 30262319交换值 21 4823 5524 9825 86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 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 41 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 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 重组值的测定 42 F1自交重组率计算 43 F2有四种表现型 紫长紫圆红长红圆 F1有四种配子 PLPlpLpl 设各配子的比例为 a b c d F2组合为 aPLbPlcpLdpl 2 其中F2中纯合双隐性ppll个体数即为d2 组成F2表现型ppll的F1配子必然是pl 其频率d 44 已知香豌豆ppll个体数为1338株 表现型比率 d2 1338 6952 100 19 2 F1pl配子频率 d 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44PL 6Pl 6pL 44pl或0 44 0 06 0 06 0 44交换值 6 2 12 45 第二节基因定位与连锁图 基因定位 根据重组值确定不同基因在染色体上的相对位置和排列顺序的过程互换 同源染色体的某些部位的交换过程连锁群 同一染色体上的基因呈串联状态 这样串联起来的基因称为一个连锁群 对二倍体来说 配子含有多少染色体即含有多少个连锁群如 水稻n 12 玉米n 10 大麦n 7连锁群数12107 46 两点测交法 分别进行两对基因的杂交和测交 根据结果求出每两个基因间的重组频率 然后根据不同基因之间的重组值确定它们的排列顺序和遗传距离 3次杂交和3次测交 47 例 已知三个基因A B C为连锁基因 通过两点测交法得知AB之间重组率为7 BC之间重组率为5 则ABC之间的排列顺序可能有两种 需要进行第三次杂交和测交得到AC之间的重组率才能确定三者之间的排列顺序 48 如 玉米C 有色 对c 无色 Sh 饱满 对sh 凹陷 Wx 非糯性 对wx 糯性 为显性 为判断三对基因之间的位置及遗传距离 需要分别进行3个试验 第一组试验 CCShSh ccshsh F1CcShsh ccshsh第二组试验 wxwxShSh WxWxshsh F1WxwxShsh wxwxshsh第三组试验 WxWxCC wxwxcc F1WxwxCc wxwxcc 49 C Sh重组值 151 149 8368 3 6 wx Sh重组值 1531 1488 14985 20 0 50 Wx C重组值 739 717 6714 22 0 51 三点测交法 通过一次杂交和一次测交同时确定三对等位基因的排列顺序和遗传距离 1 简单 准确 一次三点测交相当于3次两点测交实验所获得的结果 2 能获得双交换的资料 3 证实了基因在染色体上是直线排列的 52 例1 染色体3个隐性突变性状 棘眼 ec 缺刚毛 sc 翅缺横脉 cv 棘眼突变体与缺刚毛 缺横双突变体杂交F1代雌蝇与三隐性突变雄蝇测交 Ft中出现的表型直接反映了F1代雌性个体所产生的配子类型 53 Rf ec sc 62 88 1980 100 7 6 Rf sc cv 62 88 89 103 1980 100 17 3 Rf ec cv 89 103 1980 100 9 7 54 例2 果蝇X染色体三隐性突变 棘眼 ec 翅无横脉 cv 截翅 ct 55 ecct cv ecctcv Y测交后代数据 56 结果分析 1 归类 确定三基因是否为连锁2 确定正确的基因顺序用双交换型与亲本类型相比较 发现改变了位置的那个基因一定是处于中央的位置 可以断定这3个基因正确排列顺序是eccvct 57 3 计算重组值 确定图距 1 计算ct cv的重组值忽视表中第一列 ec 的存在 将它们放在括弧中 比较第二 三列 ct cv间重组率 217 223 5 3 5318 0 084 8 4 8 4cM 58 2 计算ec cv的重组值忽视表中第二列 ct 的存在 将它们放在括弧中 比较第一 三列 ec cv间重组率 273 265 5 3 5318 10 2 10 2cM 59 3 计算ec ct的重组值忽视表中第三列 cv 的存在 将它们放在括弧中 比较第一 二列 ec ct间重组率 273 265 217 223 5318 18 4 18 4cM 60 4 绘染色体图 在计算ec cv和cv ct的重组值时都利用了双交换值 但计算ec ct时没把它计在内 因为它们间双交换的结果并不出现重组 所以ec ct之间的实际图距应当是重组值加2倍双交换值 即18 4 2 0 1 18 6 61 5 资料整理 62 干涉和并发 干涉 interference 一个交换发生后 它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 I第一次交换发生后 引起邻近发生第二次交换机会降低的情况称为正干涉 positiveinterference 引起增加的称为负干涉 negativeinterference 并发系数 coincidence 也叫符合系数 用以衡量两次交换间相互影响的性质和程度 C 干涉系数I 1 C 0 88 变幅 0 1之间 C 1不受干扰 C 0完全干扰01 I 0 存在负干涉 63 例3 玉米Cc 籽粒颜色 Shsh 籽粒饱满度 和Wxwx 淀粉类型 三对基因杂交组合如下 P凹陷 非糯 有色 饱满 糯性 无色shsh wxwxccF1饱满 非糯 有色 凹陷 糯性 无色 sh wx cshshwxwxcc 测交后代共有8种类型 64 wxc2708sh 2538 c626shwx 601sh c113 wx 116 4shwxc2 Ft中亲型最多 发生双交换的表现型个体数应该最少 总数6708 亲本型 亲本型 单交换 单交换 单交换 单交换 双交换 双交换 65 wxc和sh 亲型配子类型shwxc和 双交换配子类型双交换型与亲型相比 位置发生改变的基因sh一定在中间 这三个连锁基因在染色体的位置为wxshc 66 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间交换值 601 626 6708 100 0 09 18 4 sh c间交换值 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 67 Sturtevant在1913年绘制的第一张基因连锁图 果蝇X染色体 括号内为现在较为精确的数据 y 黄体w 白眼v 辰砂眼m 小翅r 斜截翅 染色体图 又称基因连锁图 linkagemap 或遗传图 geneticmap 依据基因之间的交换值 或重组值 确定连锁基因在染色体上的相对距离和排列顺序的位置图 连锁图 68 零点确定 一般以先端基因座位为0 依次向下排列 若发现新基因 在先端基因0外端 则把0座位让给新基因 其余基因相应移动 用重组值衡量图距时仅限于相近基因只有相近基因间的图距可以用来衡量重组值 69 果蝇连锁遗传图 70 71 例 如果一F1 果蝇X染色体组成为w 白色 和dor 深橘黄色 是隐性突变导致眼睛颜色改变 若两基因间重组频率10 这些 果蝇测交后代中有多少 蝇表现突变类型 F1 72 例 藏报春一染色体上4个基因 B G S L 它们的连锁距离如下 S B 7 6 S G 36 5 B G 31 0 B L 35 7 G L 3 3 根据这些数据画出这四个基因的连锁图 73 例 玉米中隐性基因a 绿色 d 矮秆 rg 正常叶 是纯合品系 与另一A 红色 D 高秆 Rg 缺刻叶 纯合品系杂交 它们子代再与纯合隐性进行测交得到以下表型 共1000个 ADRg 265 adrg 275 AdRg 120 aDrg 140 Adrg 90 aDRg 70 ADrg 24 adRg 161 哪些是a d d rg a rg交换 2 绘制三基因连锁图3 并发系数是多少 干涉率是多少 4 如果干涉率上升会有什么样的结果 双交换减少 5 若aRg Arg与arg arg杂交 后代预期如何 74 例 下为遗传学图 且知干扰率是40 问ABC abc亲本产生各型配子之频率如何 C 1 40 60 实际双交换 60 10 20 1 2 各型后代比率利用表格进行推导 75 连锁遗传规律的应用 理论上 把基因定位于染色体上 即基因的载体染色体 明确各染色体上基因的位置和距离 说明一些结果不能独立分配的原因 发展了孟德尔定律 使性状遗传规律更为完善 76 实践上 可利用连锁性状作为间接选择的依据 提高选择结果 例如大麦抗秆锈病基因与抗散黑穗病基因紧密连锁 可同时改良 设法打破基因连锁 如辐射 化学诱变 可以根据交换率安排工作 交换值大重组型多选择机会大育种群体小交换值小重组型少选择机会小育种群体大 77 例如 水稻抗稻瘟病 Pi zt 与晚熟 Lm 均为显性 二者连锁遗传 交换率为2 4 如希望在F3选出抗病早熟纯合株系 PPll 5个 问F2群体至少种多大群体 Pi ztLmpi ztlmP抗病晚熟 感病早熟 Pi ztLmpi ztlmPi ztLmF1抗病晚熟 pi ztlm 78 由上表可见 抗病早熟类型为PPll Ppll Ppll 1 44 58 56 58 56 10000 1 1856 其中纯合抗病早熟类型 PPll 1 44 10000 0 0144 要在F2中选得5株理想的纯合体 则按10000 1 44 X 5X 10000 5 1 44 3 5万株 群体要大 79 第三节真菌的遗传分析 粗糙链孢菌 Neurosporacrassa 特点 1 个体小 繁殖快 易培养 生活史短 单倍体时间长 营养状况差时进行有性繁殖 2 具有与高等生物结构功能类似的7条染色体3 进行减数分裂 可发生染色体重组和分离4 每次减数分裂结果都保存在一个子囊中 一次只分析一个减数分裂产物5 单倍体表现型直接反映其基因型 80 81 受精成二倍体后只发生一次减数分裂和一次有丝分裂 由于子囊狭窄 两次分裂的产物呈线性排列在子囊中 82 四分子分析 tetradanalysis 顺序四分子 orderedtetrad 链孢霉中 由于子囊很狭窄 减数分裂的四个产物在子囊中就呈有规律的排列 直线反映了基因和性状间的关系顺序四分子分析的优点 1 子囊孢子是单倍体 表现型直接反映基因型2 子囊孢子在子囊中直线排列 3 着丝粒可看成一个基因座位 locus 83 链孢霉的野生型又称为原养型 prototroph 子囊孢子按时成熟呈黑色 营养缺陷型 auxotroph 只能在完全培养基上生长 成熟较慢 子囊孢子呈灰白色 prototroph auxotroph 84 多性状子囊基因型分析 85 86 第一次分裂分离 MI 87 第二次分裂分离 MII 88 后代可能有六种子囊排列方式 89 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 90 例 将两种菌株进行杂交lys lys 得如下结果 91 着丝粒距离 Lys基因与着丝粒之间的距离是7 3cM 92 两个连锁基因的作图 粗糙链孢霉两个基因座nic和adenic 烟酸缺陷型nicotinicacidade 腺嘌呤缺陷型adenine nic ade nic ade 93 亲二型 PD 有两种基因型 并与亲代相同 非亲二型 NPD 有两种基因型都跟亲代不同 是重组型 四型 T 有四种基因型 2种与亲代相同 2种重组型 94 95 96 97 三步法分析1 横向分析 判断两个基因是连锁还是自由组合2 纵向分析 判断是MI还是MII 分别计算基因与着丝粒的重组值3 综合分析 判断两个基因是位于着丝粒一侧还是两侧 98 横向分析 判定PD NPD和T根据PD和NPD类型数目判断连锁还是自由组合当PD远大于NPD时两基因连锁 接近时为自由组合PD 898NPD 2 两基因连锁 99 纵向分析 判断MI MII计算着丝点距离 100 判定两基因在着丝粒一侧还是两侧 可用三种方法 1 按分离时期排列2 根据着丝粒位置判定3 直接计算 101 方法一 按分离时期排列 nic ade 两对基因分离时期MIMI 808 1 809MIMII 90MIIMI 5MIIMII 90 5 1 96在101次nic交换中 有96次ade也发生了交换在186次ade交换中 有96次nic也发生了交换基本可以断定两基因在着丝粒一侧 102 方法二 根据着丝粒位置判断 计算两组数值 两组数值比接近时 则nic与ade这两个基因位于着丝粒两侧 表明两基因的重组相互独立两组数值差异大时 两基因位于着丝粒一侧 若nic和ade各自独立的与着丝粒发生交换的话 则MII的子囊数之比应接近1 8 1 103 方法三 直接计算 T型孢子只有一半为交换型 NPD全都是交换型 如果用公式计算出的两基因间重组值小于n 0或a 0中的任一个 应位于着丝粒同侧 大于n 0或a 0则位于两侧 104 105 106 被低估的重组值 107 第四节人类基因组作图 人类基因定位方法 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而进行基因定位的方法 如果某性状只出现在男性 则可将决定这个性状的基因定位在Y染色体上 X连锁基因的定位表现为隔代交叉遗传 外祖父法 根据双重杂合体的母亲所生儿子中有关性状的重组情况 就可以估计重组率 而母亲X染色体上的基因组成 可以由外祖父的表型得知 108 交叉遗传 109 以人类X连锁的色盲基因 a 和蚕豆病基因 G6PD g 为例说明外祖父法 外祖父 AG 母亲 双重杂合子 AG ag 儿子 AG ag Ag aG 互引相 正常 色盲 蚕豆病 蚕豆病 色盲 aG aG Ag aG Ag ag AG Ag Ag aG Ag aG AG ag 互斥相 互斥相 色盲 色盲 正常 正常 蚕豆病 蚕豆病 色盲 蚕豆病 色盲 蚕豆病 110 根据外祖父的表型确定作为母亲的双重杂合体的连锁相 反式或顺式 然后判断其儿子中的各种表型中哪种属于重组型 统计其重组体所占的比例 就可计算两个基因间的重组率 RF a g 5 5cM 家系分析法在原则上也可用于常染色体上的基因定位 111