Mendel 式遗传分析

1、第二章 Mendel 式遗传分析通过绪论部分的学习，我们知道Mendel是现代遗传学之父，而由孟德尔所建立的两大定律则是遗传学之树的种子，这一章我们将系统地学习Mendel式遗传分析的有关内容。 第一节 Mendel定律及其遗传分析 孟德尔之前已经有了一些植物学家做了植物杂交实验，如1797年美国的奈特（knight,T）将灰色的和白色豌豆进行杂交，杂交一代全是灰色，杂交第二代却产生灰色和白色两种，但遗憾的是他并未进一步地统计分析，让一项重大的科学发现与自己擦肩而过。 孟德尔在前人工作的基础上进行了8年豌豆杂交实验，采用了32个品种，观察了7对性状，见图2-1并用统计学的方法处理数据，最终总结

2、了两个定律，即分离定律和自由组合定律一 Mendel第一定律分离定律（law of segregation）控制性状的一对等位基因在产生配子时，互不影响或互不沾染，彼此分离，独立的分配到不同的性细胞中。1. 基本概念1.1 基因（gene）:染色体上具有特定核苷酸序列的片段，是储存遗传信息的功能单位。1.2 基因座（locus）：基因在染色体上所处的位置，特定的基因在染色体上有特定的座位。1.3 显性性状（dominant character）:杂合体中表现出来的性状。 隐性性状（recessive character）:杂合体中被掩盖的性状。1.4 等位基因（alleles）:在同源染色体上

3、占据两个相同座位的两个基因。1.5 显性基因（dominant gene）：杂合状态中，能够表现其表型效应的基因，一般以大写字母表示。隐性基因（recessive gene）:杂合状态中，不表现其表型效应的基因，一般以小写字母表示。1.6 基因型（genotype）：个体或细胞的特定基因的组成。 表型（phenotype）: 生物体某特定基因所表现的性状（可观察到的各种形体特征、基因的化学产物、各种行为特征等）。1.7 纯合体（homozysote）:基因座上有两个相同的等位基因，就这个基因座而言，这种个体或细胞称为纯合体。杂合体（heterozygote）:基因座上有两个不同的等位基因，就这

4、个基因座而言，这种个体或细胞称杂合体。1.8 测交（test cross）: 指杂种后代和隐性亲本进行杂交。 回交（back cross）：指杂交后代和任一亲本杂交。1.9 亲组合（parental combination ）：与亲本性状相同的后代。 重组合（recombination）: 不同于亲本性状组合的后代。2.孟德尔定律的研究思路1）从简单复杂 一对相对性状2对多对2）根据实验的统计结果找规律提出假设解释规律设计实验验证假说3. 分离定律2. 1杂交实验：2-1那么这种结果是否带有一定的偶然性？为此Mendel又研究豌豆另外6对相对性状，F1出现显性，F2出现分离现象，分离为3：1，

5、表2-1。3.2假设（1） 遗传性状由遗传因子决定，每个植株都有许多遗传因子，都是成对的。（2） 体细胞含有成对遗传因子，生殖细胞含有一对遗传因子中的一个。（3） 每一对遗传因子中， 一个来自父本雄性生殖细胞，一个来自母本雌性生殖细胞。（4） 形成生殖细胞时，每对遗传因子相互分开，分别进入生殖细胞。（5） 生殖细胞的结合是随机的。（6） 红花，白花是同一遗传因子的2种形式。3.4 用假说解释实验结果2-23.5 假说验证2-3理论上应为1：1，实际实验结果85红：81白=1：1实际比值与理论比值相符，说明假说成立。3.6 分离定律的实质:控制性状的一对等位基因在产生配子时互不影响或互不沾染,彼

6、此分离,独立地分配到不同的性细胞中.二 Mendel第二定律自由组合定律（law of independent assortment） 2对非同源染色体上的非等位基因在形成配子时，各自独立地分开和组合，形成4种基因型的配子，在杂交时4种配子随机组合，形成4种表型、9种基因型的群体。1. 豌豆2对性状的杂交实验。2-42. 实验解释与分离定律相同，黄色圆型亲本为显性性状，基因型为RRYY；只能产生一种基因型的配子RY，绿色皱缩的亲本为隐性性状，基因型为rryy，也只能产生一种配子，基因型为ry。杂交后F1代是杂合体，两种配子结合，基因型为RrYy。当F2产生配子时等位基因Rr彼此分离，等位基因Y

7、y也同样如此，彼此自由组合，形成四种不同基因型的配子而且数目相等：RY，Ry，rY，和ry。四种不同配子又随机结合受精，在F1上结四种不同的豆粒，它们的基因型应为9种，表型为4种，比例为9：3：3：1。图2-23. 测交验证2-5理论值1：1：1：1，实验值 55：49：51：52=1：1：1：1，与理论值相符，说明假说正确。4. 多对基因的杂交孟德尔不仅分析了两对基因的杂交，还研究出了三对基因的杂交，从而推导出多对基因杂交 的规律。如表2-2所示。5. Mendel定律成立的条件1） 两种不同基因型配子数目相等；2） 成活率相同；3） 结合是随机的； 4） 显性是完全的； 三遗传学数据的统计

8、分析1. 概率1. 1概率（ probability）又称为机率（chance）：指一定事件总体中某一事件可能出现的机率。1. 2概率规则1.2.1相乘定律：2个以上独立事件同时出现的概率等于它们分别出现的概率乘积。P（AB）=P（A）P（B）例如：豌豆豆粒颜色有黄绿两种，是黄色的概率1/2，而果实有饱满和皱缩两种，果实为饱满的概率为1/2，那么豆粒既是黄色又为饱满的概率是多少？P（AB）=P（A）P（B）=1/21/2=1/41.2.2 相加定律：2个事件是互斥事件，则出现这一事件或另一事件的概率是两个事件的概率之和。P（A或B）=P（A）+P（B）例如：豌豆豆粒是黄饱或绿皱的概率是多少？P

9、（A或B）=P（A）+P（B）=1/4+1/4=1/21.2.3组合事件（combing events）:2个以上事件，既有独立事件又有互斥事件，则称组合事件。假如：掷两次硬币，问出现同样图案的机会是多少? 这两个事件既是独立的，两次投掷互不影响的，又是互斥的，因同样图案可能是正面的，也可能是反面的，只要求相同，这样就存在着同是正面或是反面的问题。P=1/21/2+1/21/2=1/22.概率的计算和应用2.1棋盘法（punnett square）:适合基因对数少的组合。2.2分枝法（branching process）:适合多对基因的组合。图2-32.3利用概率计算多对基因杂交中某种基因型或

10、者表型出现的概率。若五对基因的杂交组合：AABbccDDEeAaBbCCddEe 求后代中基因型为AABBCcDdee和表型为ABCDe的概率。我们可以把每个基因作为独立事件来求五对基因同时发生某事件的概率：2-6在计算时要注意基因型和表型的概率是不同的。3.二项分布和二项展开法设P=某一事件出现的概率，q=另一事件出现的概率。q+p=1，n=估测其出现概率的事件数，则二项式展开的公式为：2-7 其中：r代表某时件出现的次数，n-r代表另一事件出现的概率.4好适度测验(goodness of fit) :指测定时得到的比数符合理论比数的程度如何.一般用（卡平方）法测定观察值与理论值差异的好适度

11、。X2 =（O-E）EO：实际观察值 E：理论预期值O-E：表示实际值对理论值的偏差P：实得数与理论数相差一样大及更大的积加概率。N：表示自由度，意思是各项预期值决定后，实得数中有几项能自由变动在分离比数的适合度测验中，自由度一般等于子代分数减一。P0.05结果与理论数无显著差异。实得值符合理论值，即实验组与对照组无差异P0.05.有显著差异.不符合有差异P0.05.有极显著差异.非常不符合有极显著差异 第二节 遗传的细胞学基础 前面我们学习了Mendel定律，认为性状遗传是受细胞中遗传因子来控制的。1903年Sutton和Boveri首先发现染色体与遗传因子行为相似，提出了染色体是遗传物质的

12、载体的假设即遗传的染色体学说，下面我门就学习有关染色体的系统知识。一 、染色质与染色体染色质与染色体是同一物质在细胞分裂不同时期所表现的不同形态。核小体核心由8个组pr分子即H2A,H2B,H3,H4,各2个分子组成,呈扁圆形,DNA双链环绕在核心的外面.计140个核苷酸对,核体间由DNA连丝连接,连丝上另有一组Pr分子H1.（一） 染色质Chromatin1. 概念 染色质是真核生物间期细胞核内的遗传物质,易被碱性染料着色的一种网状结构的物质。2. 基本结构：Olins夫妇 ,Kornberg,R.D（1974）通过电子显微镜的观察和研究提出了染色质结构的串珠模型，提出了染色质结构的串珠模型

13、（蝇珠模型）（beads onastring model ） 图2-43. 类型：3.1常染色质（euchromatin）细胞分裂间期呈高度分散状态，染色较浅,着色均匀，遗传功能上表现为转录活跃状态。3.2 异染色质（heterochromatin）组成型异染色质（constitutive heterochromatin）：永久性异染色质呈高度螺旋化，染色很深，遗传功能上表现为惰性状态。兼性异染色质（facultative heterochromatin）：起源于常染色质,在特殊情况下转变为异染色质.二）染色体 Chromosome1. 概念：染色质在细胞分裂过程中通过紧密缠绕，折叠，凝缩，精

14、巧包装而形成的具有固定形态遗传物质存在形式。2. 基本结构：图示 由着丝粒和两个臂组成。图2-53. 分类：根据着丝粒的位置可分为4类，图2-63.1 中部染色体 matacentric3.2亚中部染色体 submetacentric 3.3 近端染色体 acrocentric 3.4端部染色体 telocentric 4. 染色体实例：图示 人类.果蝇染色体组型及鱼类染色体.图2-8，多线染色体图2-9及灯刷染色体图2-10。 三）染色质到染色体的结构模型- 1977年Bak提出了染色质螺旋化的四级结构模型，图2-11（共压缩8400倍） 压缩 长链螺旋 螺旋化 压缩 DNA核小体 螺线体超

15、螺线体染色体 7倍 化盘绕（压6倍） 压40倍 50倍折叠螺旋 二 染色体在减数分裂中的行为1. 概念：减数分裂meiosis 在性母细胞成熟时，配子形成过程中所发生的 一种特殊的有丝分裂。2. 特点：1） 染色体只复制一次，核连续分裂两次，每个子细胞核中只有单倍数的染色体，这两次连续的核分裂分别称第一次减数分裂（或减数分裂）meiosis和第二次减数分裂（或减数分裂）meiosis。2） 减的前期复杂可分为5个时期:减数分裂过程中会发生许多与遗传密切相关的重要条件，其中以染色体行为变化最为重要。下面先学习一些相关的名词概念：同源染色体homologous chromosome ：在二倍体生物

16、中，每对染色体的两个成员中一个来自父方，一个来自母方，其形态大小相同的染色体称为同源染色体。非同源染色体 nonhomologous chromosome：在二倍体生物中，不属于同一对的染色体，其形态大小不同的染色体称为非同源染色体。联会 synapsis ：同源染色体的两个成员侧向连接，像拉链一样地并排配对称为联会。联会始于偶线期，终止在双线期。3减数分裂过程：动画2-1 3.1 第一次分裂前期prophase 5个时期1）.细线期（leptotene）:染色体浓缩为几条细而长的细线，虽然染色体已在间期复制，每一染色体含2条染色单体，但在细线期的染色体上还看不出双重性。2）偶线期（zygot

17、ene）各种同源染色体开始配对，出现联会现象，形成联会复合体。2n条n对二价体（bivalent）：联会的一对同源染色体，又称双价体。联会复合体 （synaptonemal complex ，SC） ：同源染色体联会过程中形成的一种独特的亚显微的非永久性的复合结构，由两个侧体（lateral elements）和一个中体（central element）构成。图2-123） 粗线期：（pachyrene） 二价体继续缩短变粗，同源染色体联会完毕。二价体的2条非姊妹染色单体间可能出现交换。四合体：包含了4条染色单体的二价体又称四合体。姊妹染色单体：二价体中一个染色体的2条染色单体互称姊妹染色单体

18、。非姊妹染色单体：二价体中不同染色体的染色单体称非姊妹染色单体。4）双线期：（diplotene）二价体中2条同源染色体开始分开，但分开不彻底，但仍被一，二个以上交叉连接在一起，交叉是非姊妹染色单体间某些片段发生交换的结果。5）终变期（diakinesis）：染色体变得更为浓缩和粗短，交叉向二价体的两端移动，并且接近末端，这一过程叫交叉的端化，每个二倍体分散在整个核内，可一一分开，是鉴定染色体数目的最好时期。中期（ metaphapse） 核仁，核膜消失，细胞中出现纺锤体，纺锤丝与各种染色体的着丝点连接，从纺锤体的侧面看二价体中各同源染色体着丝点分散在赤道板的两侧。后期 （anaphase ）

19、 在纺锤体的牵引下，二倍体的2个同源染色体分别向两极移动，每一极只分到每对染色体中的一个，实现了2n数目的减半。末期（ telophase）染色体移到两极后，松散变细，形成2个子核，细胞质变成两部分，形成2个子细胞。中间期： 无DNA复制，在很多动物中是没有的，前期（ prophase） 每一染色体具2个染色单体，着丝点仍连在一起。中期 （metaphase） 每一个染色体的着丝点整齐地排列在各个分裂细胞的赤道板上，着丝点开始分裂。后期 anaphase 着丝点分裂为二，各个染色单体由纺锤丝拉向两极。末期 telophase 移到两极的染色体形成新的子核，同时细胞质又分为2部分，形成4个细胞称

20、四分体或四分孢子。三 配子的形成和受精 n（一） 植物雌雄配子体的形成高等植物一般都是雌雄同体，生殖细胞分化的晚，到个体发育成熟时，才从体细胞中分化形成。有性生殖的全部过程是在花器即雄蕊和雌蕊中进行的，图示雌雄蕊 图2-13 1. 雌性配子体形成过程： 动画2-2在雌蕊子房里出现了孢原细胞，其发育成为大孢子母细胞2n（macrosporocytes），由一个大孢子母细胞经过减数分裂，形成直线排列的4个大孢子（n）macrospore，即四分孢子，其中3个大孢子的养份被吸收而自然解体，只有一个远离珠孔的大孢子经过三次有丝分裂最后形成一个8核胚囊（1卵母 2 极核 2 助细胞 3 反足细胞）即雌配

21、子体，其中两个极核融合为一个二倍体的融合核。2. 雄配子体形成过程：动画2-3在雄蕊花药的表皮下出现孢原细胞，孢原细胞经过几次减数分裂成为小孢子母细胞（microsporocytes）（2n），小孢子母细胞经过减数分裂，形成四分孢子（n），从而发育成4个小孢子（microspore）。小孢子经过一次有丝分裂，产生2个单倍体核，其中一个核不再分裂，成为管核或营养核（vegetative nucleus）,另一核再进行一次有丝分裂，形成雄核即精细胞（sperm cell），这样一个三核成熟花粉粒就是雄配子体。3 受精： 在植物中，受精是传粉的结果，我们以熟悉的玉米为例来说明植物的受精过程和它与种子

22、发育的相互关系。图3-14 玉米的胚囊形成细长的丝状，当玉米的花粉粒落到花丝上时花粉粒发芽产生长的花粉管，2个雄核沿花粉管进入胚囊，一个精核与卵核结合产生合子发育为胚，另一精核与二倍体极核结合形成三倍体的合子发育为胚乳，我们称这种受精方式为双重受精（double fertilivation）（二） 动物雌雄配子的形成过程 高等动物都是雌雄异体的，它们生殖细胞分化很早，在胚胎发生过程中即已形成，这些细胞藏在生殖腺中（gonad），雄性在睾丸中，雌性在卵巢中，待个体发育成熟时才从生殖腺中分化出性原细胞，雄性即精原细胞（spermatogonin），雌性即卵原细胞（oogonia）。1.雄性配子形成

23、过程动画2-4精原细胞经过多次有丝分裂形成初级精母细胞（Primary spermatocyte PS）,PS经过减I形成2个次级精母细胞（Secondary Spermatocyte,SS）,SS经过减形成4个精细胞（Sperm Cell）,发育成成熟精子（Sperm）2.雌性配子形成过程动画2-5卵原细胞经过多次有丝分裂形成初级卵母细胞（Primary Oocytle,PO）,PO经过减I，形成1个次级卵母细胞（Secondary Oocytle,SO）和1个第一极体（First Platbody），SO经过减I分裂形成1个卵（egg）和1个第二极体，第一极体经过减形成2个极体(后3个极体

24、均退化)，这样每个初3 受精在动物界，受精能否成功的关键是精卵的成熟程度。一般精子只有在减数分裂和变态过程全部完成后才获得受精能力，而卵子在完成生长期之后，即在减I开始之前直到减完成后的这一段时间均可接受精子，当然，在不同的动物中，精子入卵的时间不同，可分为三种类型。3.1蛔虫型：精子入卵的时间在减数分裂之前，即卵母细胞或初级卵母细胞 时期（开始减数分裂）。受精后开始进行减I，如蛔虫，海绵，沙蚕，箭虫。3.2中向型：有两种类型。3.2.1精子入卵时间发生在减的中期，受精后放出第一极体，如玻璃海鞘、磷沙蚕、某些软体动物、虾蟹类及贝类。3.2.2精子入卵发生在减中期，受精卵放出第二极体，如海星、文

25、昌鱼以及脊椎动物。3.3海胆型：在减数完成后。四遗传的染色体学说 1902年美国W.S.Sutton和德国T.Boveri发现Mendel的遗传因子与性细胞在减数分裂的过程中的染色体行为有平行关系，提出了染色体可能是基因的载体的假说图3-15第三节 基因的作用与环境因素的相互关系一 基因型与表型基因型 genotype：生物体的遗传组成，是性状表现必须具备的内在因素。表型phenotype: 生物体所表现的性状，是不同基因间以及基因与环境间极复杂的相互作用的结果。例：果蝇 31培养 ，残翅长果蝇 25培养 ，残翅短。(残翅是隐性基因结合vgvg) 由此可见基因是性状发育的内因，环境条件是发育的

26、外因，表型是基因型与环境相互作用的结果。1.表型模拟（phenocopy）环境因素所诱导的表型类似于基因突变所产生的表型，这种现象称模拟的表型性状，是不能遗传的。 2.外显率(penetrance)一定基因型的个体在特定环境中形成预期表型的比例，一般用百分率表示，例如：成骨发育不全症，携带有病基因的个体不一定全部表现。图2-163.表现度（expressivity）相同基因型的个体的表型变化的程度。图2-17 4.外显率与表现度关系 外显率指的是一个基因的效应表达或不表达，而不管表达的程度如何；而表现度则适用于描述基因表达的程度。 二. 等位基因间的相互作用。1. 完全显性（complete

27、dominance）：杂合体中两个不同的遗传因子同时存在时，其中只有一个的表型效应得以完全表现，称完全显性，如豌豆中决定红花，白花的基因。2. 不完全显性（partial or imcomplete dominance）：F1代的表型是双亲性状的中间型（双亲分别为纯合显，隐性）如茉莉花色的遗传。3. 共显性（codominance）双亲（纯合基因）的性状同时出现在F1个体上，即一对等位基因的2个成员在杂合体中都表达的遗传现象称共显性。如：“镰刀性贫血症的遗传4. 镶嵌显性（mosaic dominance）:亲本的性状在F1代对应部位表现出来。如异色瓢虫色斑变异，是并显性的一种特例。图2-19

28、5. 致死基因（ lethal genes）：使生物体不能存活的等位基因，致死作用可发生在个体发育的各个时期，出生后较晚才导致死亡的致死基因称为亚致死或半致死基因。基因的致死作用是法国学者Cuenot通过鼠类杂交实验首次发现的。图2-20图示（1）隐性致死基因：在纯合状态有致死效应，而在杂合时不影响个体的生活力的基因。如：植物中隐性白化基因，小鼠中致死基因。（2）显性致死基因：杂合状态即表现致死作用的基因。如视网膜母细胞瘤基因Rb ，此基因杂合状态时，患者在幼年发病，通常因肿瘤长入单侧或双侧眼内玻璃球体，晚期向眼外蔓延，最后可全身转移而死亡。6 . 复等位基因（multiple alelles）：在群体中占据某同源染色体同一座位的2个以上的，决定同一种性状的基因称复等位基因。 ABO血型，人类ABO血型是由IA,IB, i共3个复等位基因决定着红细胞表面抗原的特异性的。其中IA,IB分别对i为显性，IA与IB为共显性，ABO血型系统的4种表型及可能的基因型如下：血型表型 基因型 O ii A IAIA或IAi B I B I B 或IBi AB IAIB根据ABO血型的遗传规律可排除亲子关系，进行亲子鉴定。6.2 孟买型与H抗原在印度孟买发现了