现代遗传学教程-从基因到表型的剖析（第4版）课件 第2章遗传三大基本定律

第二章遗传三大基本定律TheThreeFundamentalLawsofGenetics中山大学生命科学学院《遗传学》2025版授课老师：XXXXXX@孟德尔定律02遗传学数据的统计学处理03孟德尔定律的扩展040105遗传第三定律06遗传的染色体学说遗传基本定律在遗传学发展中的作用2学习要点3概念掌握

基因型表型测交等位基因复等位基因拟等位基因共显性超显性镶嵌显性连锁上位效应显性上位隐性上位抑制基因致死基因合成致死一因多效遗传的染色体学说染色体不分离重组值适合度检验理解规律

遗传学三大基本定律数据计算

棋盘法与分枝法

适合度检验孟德尔定律01SECONE45孟德尔定律的提出和重发现1856年，孟德尔开始在奥地利布隆（今捷克的布尔诺）的修道院进行了长达8年的豌豆杂交实验。1865年，布隆自然科学协会每月例会上，他分两次(2月8日和3月8日)报告和解释了其豌豆杂交实验。提出了遗传因子分离和组合的新观念。1866年，孟德尔以题为“植物杂交的实验”之论文，发表在布隆自然科学协会会刊第4卷上。孟德尔的论文，当时曾分送到德国植物学会、英国皇家学会、法国科学院、奥地利维也纳大学和美国哥伦比亚大学等国内外130多个科学研究机构和大学的图书馆。但当时没有人作出任何反应。这样，被后人视为科学实验典范的孟德尔论文，在布满灰尘的各国图书馆的书架上，默默无闻地沉睡了30多年。孟德尔定律的提出和重发现61900年该工作才被3位不同国家的科学家重新发现，他们分别是荷兰的H.DeVries、德国的C.Correns和奥地利的E.VonTschermak。这三人的工作都发表在《德国植物学会杂志》，都证实了孟德尔法则。在孟德尔定律被重新发现后的最初时间里，科学界似乎并没有引起多大的回响。孟德尔论文受到科学界重视和遗传学的真正崛起，主要归功于Bateson（1861-1926）的积极倡导和不懈努力。7孟德尔的豌豆杂交实验亲代P、子一代F1、子二代F2正反交自交回交测交8孟德尔观测豌豆的7对性状两年试种34个不同品种的豌豆挑选出易于观测区分的7对性状9观测一对性状的杂交实验圆形：皱形=3：110孟德尔豌豆杂交实验7对性状观测统计结果F1的所有个体只表现亲本中一方的性状F2出现了性状分离，比例接近3：1正交或反交的结果一致11孟德尔分离定律遗传第一定律：孟德尔分离定律每对性状由相对的遗传因子（hereditaryfactor）控制，遗传因子的本质是颗粒式的。体细胞中成对存在的遗传因子一个来自父本，一个来自母本。配子形成时，成对的遗传因子彼此分离，分配到不同的配子中，每个配子只具有成对的遗传因子之一。12孟德尔分离定律的遗传因子示意图R：控制形成圆形种子的遗传因子；r

：控制形成皱形种子的遗传因子；配子：只存在一个遗传因子；个体：存在两个遗传因子，分别来自父母本；显性性状可以遮盖隐性性状。用遗传因子表示圆形种子植株和皱形种子植株杂交的结果遗传因子—>基因13孟德尔分离定律的测交验证F1：Rr，杂合体（heterozygote）；rr：隐性纯合体（homozygote）；测交一代观察到1:1的性状分离，验证了分离定律的正确性。F1与隐性纯合体测交14孟德尔杂交实验是科学研究典范采用纯种做实验，选取7对显著区分的性状，在科学上尽量排除多种干扰因素，单因素控制;认真观察并记录大量实验结果，进行统计分析;结果与理论假设印证;进一步设计验证实验，增加假设的可靠性。15人类常见的由单对基因控制的性状16观测两对性状的杂交实验选取种子颜色（黄色/绿色）和形状（圆粒/皱粒）这两对性状9：3：3：117孟德尔自由组合定律遗传学第二定律：孟德尔自由组合定律在形成配子时，控制一对性状的遗传因子仍然服从分离定律，而控制两对性状的不同遗传因子之间随机组合P可产生2种配子：RY，ryF1可产生4种配子：

RY，ry，Ry，rYF1的4种配子任意挑选2个（可重复选）形成F218不同配子组合形成了F2两对性状的组合自由组合定律的实质在于形成配子时等位基因分离、非等位基因以同等机会在配子形成过程中自由组合，这样，通过不同基因型配子之间的随机结合，就形成了F2的表型比例。自由组合定律可以让F2产生在亲本中不存在的性状组合，称为重组合。19孟德尔自由组合定律的验证测交验证：F1与隐性亲本测交后代表型比为1：1：1：1自交验证：F2自交后代有3类①全部纯合类，如YYRR、yyRR、YYrr、yyrr

自交后不再发生分离；②一对等位基因纯合而另一对杂合，如YyRR、Yyrr、YYRr、yyRr，自交后一对性状稳定，另一对以3∶1分离；③两对基因都是杂合的，如YyRr，自交后的F3将按9∶3∶3∶1分离。20孟德尔遗传定律的应用分离定律应用于抗病植株选育检测抗病性状的不分离，确保筛选出的是纯合抗病植株自由组合定律将多个亲本的目标性状集中到一个品种SSRR：抗病红果肉ssrr：感病黄果肉培育抗病黄果肉SSrr21孟德尔学说的意义首次提出遗传因子概念，并强调其颗粒性，彼此不“融合”，打破了对生物性状遗传的错误认识。遗传因子成对存在，形成生殖细胞时分离，合理解释了性状遗传的规律并可预测后代组合，为寻找和确定遗传因子提供了启示，对育种实践具指导意义。为解释生物的多样性提供理论基础。如某生物有20种性状，每性状由一对基因控制，理论上表型组合数超100万。创造了一整套全新的遗传学研究方法，包括：单因子分析法、数学统计法和测交实验法等。遗传学数据的统计学处理02SECTWO2223统计学为遗传学研究提供重要支撑数学和统计学在自然科学研究中的重要作用概率论在分离和自由组合定律中的应用孟德尔豌豆杂交实验观测到的大量数据需要统计学的处理24概率概率（probability）反映的是随机事件发生的可能性大小

抛硬币实验P（正面朝上）＝a/n，0≤P≤1加法法则应用于互斥事件，即不可能同时发生的事件P（2或6）＝P（2）＋P（6）＝1/6＋1/6＝1/3乘法法则应用独立事件，即两个或两个以上互不影响的事件两个带苯丙酮尿症隐性基因的杂合子个体婚配，3个孩子均患病的概率P＝1/4×1/4×1/4＝1/6425组合事件的概率对于组合事件，即在两个或两个以上的事件中既有独立事件也有互斥事件，这时可以将加法法则和乘法法则一起使用。如两个带苯丙酮尿症隐性基因的杂合子个体婚配，他们的3个孩子中1个患病（A）、2个正常（N）的概率可以这样计算：因为得病的孩子可能是第一个（ANN），也可能是第二个（NAN）或第三个（NNA），共有3种排列方式，这时P可以这样计算：26遗传比率的计算利用概率理论可以推算遗传比率，即某一特定基因型个体数占总数的比率。特点：从已知的理论推导数值，而非从实验数据总结归纳棋盘法（punnettsquare）与分枝法（forked-linemethod）27棋盘法将父母本的配子各放在一边，注上配子的概率子代基因型的概率即为两个配子的概率相乘基因对多的时候，比较繁琐。如23=8种配子，64个格子28分枝法每对基因依次考虑，用分枝的形式写出来如果只想估算某一特定表型的比率，可以直接用概率公式来计算。比如计算高黄皱性状的比例，因这三个性状相互独立，其概率值P＝P（高）×P（黄）×P（皱）＝3/4×3/4×1/4＝9/64。此结果与分枝法得到的结果一致29适合度检验（testforgoodness-of-fit）一种统计学检验方法，检验实际次数与理论预期值是否相符。如果相符，说明理论预测准确；否则该理论可能不适用特点：既需要理论值，又需要实验观测值常用卡方检验作为适合度检验30卡方检验示例n

表示自由度（degreeoffreedom），指在各项预期值决定后，实得数中能自由变动的项目，一般等于子代分类数减1。给定卡方值和n后，可以通过查表或者计算机获得概率值P。P值会随着卡方值增大而减小。若这里的P值很小，比如P<0.01，则认为按照理论预测不太可能出现这样一组观察值，说明原有的理论不适用于该实验结果。31卡方检验的注意事项卡方需要从原始观测数据值（个体数量）计算，不能用百分比、频率或比率计算。应该有足够多的数据量，其适用范围一般要求最小的理论预期数至少为5。单凭卡方检验来肯定或否定一个假设的正确性是不严谨的，应该根据重复试验和其他证据来全面分析。孟德尔定律的扩展03SECTHREE3233孟德尔观测一对性状的杂交实验圆形：皱形=3:134孟德尔观测两对性状的杂交实验选取种子颜色（黄色/绿色）和形状（圆粒/皱粒）这两对性状预期性状比例9：3：3：1基因发生分离和自由组合，导致性状的分离和自由组合，符合统计学预期35非孟德尔预期比例案例的出现1904年，法国L.Cuenot黄色皮毛小鼠实验杂合黄鼠与黑鼠的后代颜色比1：1，符合孟德尔定律，黄色为显性按照孟德尔定律，黄鼠自交后代应该得到黄鼠：黑鼠为3：1，但实际观察结果却是2：1究竟是什么导致了非预期比例的出现？36孟德尔定律的扩展孟德尔观察的7对性状都具完全显隐性关系，即完全显性。并且这7对不同等位基因的作用是独立的。人们观测到一些案例，杂交后代的表型比例与预期的孟德尔比数不符。但进一步的分析发现，孟德尔定律仍然正确，这些“例外”是对孟德尔定律的扩展。等位基因间的相互作用&非等位基因间的相互作用37等位基因间的相互作用显隐性关系的相对性致死基因复等位基因一因多效381.显隐性关系的相对性不完全显性（incompletedominance）：花色、卷发共显性（codominance）：MN血型不完全显性产生了中间的表型共显性指一对等位基因的两个成员在杂合体中都表达的现象391.显隐性关系的相对性嵌镶显性（mosaicdominance）：异色瓢虫超显性（overdominance）：镰状细胞应对疟疾谈家桢教授于1946年发现和提出的嵌镶显性遗传理论镰状细胞基因的杂合子在疟疾流行地区可以抵抗疟原虫的感染，超过了纯合子的生存率401.显隐性关系的相对性显隐性关系随所依据标准的不同而发生改变412.致死基因（lethalgenes）1904年，法国L.Cuenot黄色皮毛小鼠实验黄鼠基因AY影响两个性状：在毛皮颜色上为显性，表现黄色皮毛；但在致死效应上为隐性，纯合致死。422.致死基因（lethalgenes）显性致死基因：亨廷顿舞蹈症基因亨廷顿舞蹈症是一种常染色体显性遗传的神经退行性疾病。患者第四号染色体上的亨廷顿（huntingtin，htt）基因发生变异。Htt在神经元细胞内过度聚集会形成大的分子团，从而影响神经细胞的正常功能导致疾病发生。通常在30到40岁之间发病，不自主舞蹈样动作、认知障碍和精神异常，病程在10到20年，最终会导致患者的死亡。432.致死基因（lethalgenes）合成致死（syntheticlethality）：两个非致死基因中任何一个基因发生突变均不影响细胞存活，但当两个基因同时发生突变时，能够特异性导致细胞死亡的现象。1922年，遗传学家C.Bridges在黑腹果蝇身上发现：当某两个特定基因同时突变失活时，会导致果蝇的死亡，而任何单独一个基因的突变失活却不会导致死亡。1946年，T.Dobzhansky称这种现象为合成致死。目前，利用合成致死原理对开发更有效低毒的个性化癌症治疗显示出重要的应用前景。如，通过基因组分析发现一对合成致死基因，而某种类型的肿瘤中存在其中一个基因的突变失活，那么通过基因组编辑技术突变或用药物抑制另一个基因的表达，就可以特异性地杀死癌细胞，而不危害正常细胞。ABBa基因A突变基因B突变或化合物抑制基因产物B存活死亡正常细胞癌细胞合成致死杀死癌细胞原理示意图443.复等位基因（multiplealelles）复等位基因是指在群体中，占据同源染色体上同一座位上的两个以上、决定同一性状的基因群在群体中可有n个等位基因a1

、a2

、…an

，但每个二倍体细胞最多只能有？个N个复等位基因的基因型数目为？一个可能混淆的概念：拟等位基因（pseudoalleles）指表型效应相似、功能密切相关、在染色体上的位置又紧密连锁的基因，它们像是等位基因，而实际上不是等位基因，可经重组而分开。45例：ABO血型ABO血型由3个复等位基因IA

、IB

和i决定IA

和IB

并显性，

IA

和IB

对i显性组成6种基因型：IAIA

、IAi；IBIB、IBi；IAIB；ii

显示4种表型46例：植物自交不亲和（self-incompatibility）基因烟草中至少有15个自交不亲和基因S1、S2、……、S15构成一个复等位系列，相互间没有显隐性关系。花粉会受到相同基因型植株花柱的抑阻。植物可以通过这套复等位基因防止近交衰退。47例：人类主要组织相容性复合体（HLA）已知人体最复杂的基因体系，有3类基因群：I类基因区域：HLA-A、B、C三个位点，后来又提出E、F、G、H、K和L位点；II类基因区域：由DR、DQ、DP三个亚区构成，每个亚区又有若干位点；III类基因区域：含编码补体成分C2、C4、B因子及TNF、热休克蛋白和21羟化酶的基因。HLA复合体I类和II类基因位点多为复等位基因人体HLA复合体基因簇（第6号染色体）结构示意图484.一因多效（pleiotropy）一个基因可影响若干性状，叫一因多效或基因的多效性（genepleiotropism）人类成骨不全显性遗传病，一个座位上的基因发生改变，使患者可同时有：多发性骨折、蓝色巩膜和耳聋等1至3种不同病症翻毛鸡：翻毛、体温、代谢、食量等残翅果蝇：平衡棍第三节缩小、生殖、寿命49非等位基因间的相互作用当两种以上的基因产物影响同一表型时，这些产物的作用可能具有复杂的层次关系。1909年英国遗传学家W.Bateson最初提出epistasis(上位效应)，指一个基因的表型效应被位于另一位点的另一基因(非等位基因)的表型效应所遮盖的现象。起遮盖作用的基因称为上位基因(epistaticgene)，被遮盖的基因称为下位基因(hypostaticgene)。50上位效应上位效应并不局限于只发生在两对基因间的相互作用：

当两个或两个以上位点的基因相互作用产生新的表型时；当一个位点的等位基因遮盖位于另一个或多个其他位点的等位基因的效应时；当一个位点的等位基因修改位于另一个或多个其他位点的等位基因的效应时。上位效应是一种发生在表型水平上的非等位基因间的相互作用，但在基因型水平上，其基因仍然遵循独立分配和自由组合规律，不同表型比例可由起初的9∶3∶3∶1比例衍生而来。现在“epistasis”一词主要用来描述基因间由于某种形式的生理作用未能观察到所期望的孟德尔表型比例的情况51上位效应的例子基因互补产生新性状产生9：7分离比例产生13：3分离比例产生12：3：1分离比例产生9：3：4分离比例产生15：1分离比例

9:(3:3:1)9:(3+3+1)(9+3+1):3(9+3):3:19:3:(3+1)(9+3+3):19：3：3：1的变形521.基因互补产生新性状不同对等位基因间相互作用，出现新的性状，这种情况也叫互补作用（complementaryaction）。在这种情况下，F2也出现9∶3∶3∶1的分离比例，但与孟德尔定律中出现的性状组合不同。胡桃冠：RP互补单冠：rp互补532.产生9：7分离比例只要是cc或rr基因型，花就表现为白色，这种现象叫重复隐性上位（duplicaterecessiveepistasis）。543.产生13：3分离比例有些基因本身并不能独立地表现任何可见的表型效应，但可以完全抑制其他非等位基因的表型效应，这种基因称为抑制基因（suppressiongene）。只有抑制基因不存在时，被抑制的基因对才能得以表现。基因I

对基因Y有抑制作用只有iiYY和iiYy才能表现出黄色554.产生12：3：1分离比例一对基因中的显性基因阻碍了其他非等位基因的作用，叫显性上位（dominantepistasis）I

和i

控制白色与非白色B

和b

控制黑色与褐色基因I

会遮盖B

和b的表型作用，只有iiB_和iibb才能表现出黑色和褐色565.产生9:3:4分离比例一对隐性基因对另一对基因起阻碍的作用叫隐性上位（recessiveepistasis）C

和c

控制有色与白色，决定色素的生成R

和r

控制黑色与黄色，决定色素在毛内的分布cc隐性纯合时，R和r不起作用只有CC或Cc时，R和r才能表现颜色576.产生15：1分离比例在两对或两对以上的多基因系统中，当基因对性状产生相同的影响时，这些基因中只要有一个显性存在，性状即表达，称为基因的叠加作用（duplicateeffect），只有全部是隐性的个体才表现为另一性状。荠菜（Capsellabursapastoris）中常见的植株是结三角形角果，极少数植株结卵形角果。两种纯合体植株杂交，F1全部结三角形角果，F1自交后代F2的分离比为15三角形角果∶1卵形角果（a1a1a2a2）58非等位基因间的相互作用机制生物体内基因作用的表达是一个非常复杂的生化反应过程，在这个复杂体系中，某个基因所编码的蛋白质的活性可能因另一基因编码产物的作用而发生改变，这就可能导致了上位表型的产生。链式反应底物竞争叠加作用

抑制作用59非等位基因间的相互作用形式前面的讨论是以两对非等位基因间的相互作用进行的，并且每次只是讨论了基因相互作用的一种形式。实际上，很多性状的表现往往涉及更多对基因的相互作用及存在多种相互作用形式。上位效应只是这种相互作用复杂性的来源之一，若加上基因与环境的作用，表型的变化就更多。遗传的染色体学说04SECFOUR6061染色质和染色体染色质（chromatin）是存在于真核生物分裂间期细胞核内的一种易被碱性染料着色的无定形物质，是伸展开的DNA蛋白质纤维，每一条染色质由一条线性的双螺旋DNA分子加上围绕它的蛋白质所组成。染色体（chromosome）则是染色质在细胞分裂过程中经过紧密缠绕、折叠、凝缩、精巧包装而成的具有固定形态的存在形式，是高度螺旋化的DNA蛋白质纤维。同源染色体、染色单体、着丝粒62细胞分裂中的染色体行为有丝分裂：复制1次，分裂1次减数分裂：复制1次，分裂2次减数分裂可以将配子中的染色体数量减半，雌雄配子结合后染色体数量恢复；减数分裂后，同源染色体分离，非同源染色体随机重组，每个配子细胞有且只有1套完整的染色体组合；在前期Ⅰ，非姐妹染色单体间通常发生同源区域的交换，导致遗传物质的非随机重组，可增加遗传的变异性。63遗传染色体学说的提出1902年，W.S.Sutton和T.Boveri认识到遗传因子的行为和减数分裂中的染色体行为有平行性，两人各自独立提出遗传的染色体学说（chromosometheoryofheredity）。在真核生物中基因成对存在（等位基因），染色体也成对存在（同源染色体）；形成配子时，等位基因分离，分别进入不同配子，同源染色体在减数分裂I时也分离，移向细胞两极；形成配子时非等位基因自由组合进入配子，非同源染色体亦如此。64遗传染色体学说示意图性母细胞为AaBb杂合二倍体同源染色体分开---------------分离定律非同源染色体自由组合--------自由组合定律可形成4种基因型，每个配子为单倍体65如何验证遗传染色体学说？Sutton-Boveri的假设可以很好地解释孟德尔定律，而且染色体是细胞中可见的具体“颗粒”；如果通过再进一步通过实验观察，把特定基因与特定染色体联系起来，将基因行为与染色体行为绑定，那就可以为遗传染色体学说提供证据支持；摩尔根1910年的果蝇实验成功验证了染色体学说。66纯系白眼果蝇证明伴性遗传果蝇的红眼对白眼是显性，且白眼性状与性别有关67纯系白眼果蝇证明伴性遗传推测控制眼睛颜色的基因位于X染色体，Y染色体没有对应的基因进一步验证杂交实验1中的F2雌蝇应该有2种基因型，与白眼雄蝇交配，后代特征有2类表现。一种是全部红眼，另一种与杂交实验2的F2表现一致。白眼雌雄交配，子代应都是白眼，且可稳定遗传。意义：这是第一次将一个特定基因定位在一个特定染色体上，使遗传的染色体学说获得了实验证据。孟德尔的遗传粒子概念发展为染色体的概念。68杂交例外子代提供了更多的证据Bridges在1916年发现例外子代，猜测染色体未正常分离用细胞学检查成功证明了初级例外子代的白眼雌蝇是XXY69次级例外子代再次验证染色体学说用初级例外子代中的白眼雌蝇与正常雄蝇杂交，出现4%的次级例外子代XwXw

和Y

两种卵子，当它们受精时，产生的4种类型的合子中有两种死亡（

XwXwX+

和YY），剩下的即是两种次级例外，即X+Y和XwXwY遗传第三定律05SECFIVE7071连锁遗传（linkageinheritance）现象亲本所具有的两个性状在F2中更多比例地联合在一起遗传不符合自由组合定律W.Bateson和R.C.Punnett的香豌豆实验（1906）72摩尔根果蝇实验中的连