第十三章 细胞质遗传.ppt

1、,第五章 细胞质遗传,1. 细胞质遗传与核遗传的差异 2. 细胞质遗传的特点。 3. 质核基因间的关系。 4. 雄性不育： 核不育型、质核不育型； 孢子体不育、配子体不育 生产应用。,本章重点,第一节 细胞质遗传的发现及特点,1909年Carl Correns紫茉莉花斑性状的遗传,紫茉莉中花斑植株：着生绿色、白色和花斑三种枝条，且白色和绿色组织间有明显的界限。,Carl Correns,杂种植株所表现的性状完全由母本枝条所决定，与提供花粉的父本枝条无关。控制紫茉莉花斑性状的遗传物质是通过母本传递的。,（引自石春海等，2007）,概念：由细胞核以外其它任何细胞成分引起的遗传现象都称为细胞质遗传（

2、核外遗传、非染色体遗传）。,细胞质遗传的特点 1.正反交结果不同，F1通常只表现母本的性状。 2.连续回交不会导致母本细胞质基因及其所控制的性状消失。杂种与父本连续回交，回交后代仍表现母本性状。 3.分离世代不发生性状分离 4.不遵循孟德尔遗传规律,卵细胞：有细胞核、大量的细胞质和细胞器。 能为子代提供核基因和全部或绝大部分胞质基因。 精细胞：只有细胞核，而细胞质或细胞器极少或无。 只能提供其核基因，不能或极少提供胞质基因。 一切受细胞质基因所决定的性状，其遗传信息只能通过卵细胞传给子代，而不能通过精细胞遗传给子代。,细胞质遗传的特点,母性影响和基因组印记这两种遗传现象和细胞质遗传很相似，但属

3、于细胞核遗传，需要加以区别。 一、母性影响(maternal influence)：子代某一性状的表型由母体的核基因决定，而不受本身基因型的支配，从而导致子代的表型和母本相同的现象。,第二节 母性影响与基因组印记,椎实螺：是一种雌雄同体的软体动物，一般通过异体受精繁殖，若单独饲养，也可以自体受精。椎实螺螺壳的旋转方向有左旋和右旋是一对相对性状。,F3右旋：左旋=3：1,F3右旋：左旋=3：1,椎实螺螺壳的方向取决于最初两次卵裂中纺锤体的方向，而纺锤体的方向又是由母体基因通过作用于正在发育的卵细胞决定的，所以子代螺壳旋转方向取决于母体的基因型，而不是本身的基因型。,不按自己的基因型发育，而是按母

4、本的基因型（不是表型）发育。 自己的基因型推迟一代表现,1、2为第一次卵裂， 3、4为第二次卵裂； 1、3是左旋， 2、4是右旋。,椎实螺卵裂的方式：螺类的受精卵是螺旋式卵裂。椎实螺外壳旋转方向是由受精卵第一次和第二次分裂时的纺锤体分裂方向所决定的。受精卵纺锤体向中线的右侧分裂时为右旋，向中线的左侧分裂时为左旋。,1,2,二、基因组印记,小鼠的Igf2基因编码胰岛素样生长因子-2，对小鼠的正常发育是必需的，Igf2基因突变(Igf2m)导致小鼠矮小。,Igf2 Igf2 Igf2m Igf2m Igf2m Igf2m Igf2 Igf2 正常小鼠 矮小小鼠 矮小小鼠 正常小鼠 F1 Igf2I

5、gf2m矮小小鼠 Igf2Igf2m 正常小鼠,什么原因出现上述杂交结果呢？,在小鼠中，只有来自父本基因组的Igf2可以表达，而来自母本基因组的Igf2基因处于失活状态。所以上述两个杂交实验的子代基因型均为Igf2Igf2m ，但在第一个实验中的中的Igf2基因来自母本，在子代中不能表达，表型为突变型。而在反交中，Igf2基因来自父本，在子代中可以正常表达，所以表型为正常。可见，小鼠Igf2-Igf2m 等位基因的功能受到双亲基因组的影响，打上了亲本基因组的印记。,基因组印记( genomic imprinting):是指控制某一表型的基因其成对的等位基因依亲缘(父源或母源) 的不同而呈现差异

6、性表达。这种差异性表达称为亲缘性差异性表达。有的只有父源的基因在子代中有转录活性，而母源的同一基因始终处于沉默状态。而另外一些基因的情况正好相反。我们把父源等位基因不表达即无转录活性而处于沉默状态者称为父系印记(paternal imprinting)；若母源等位基因不表达，则称为母系印记(maternal imprinting)。呈现上述现象的基因称为印记基因(imprinted gene)。,基因组印记是由于DNA结构的修饰导致基因表达的沉默，如DNA甲基化，组蛋白乙酰化等。受精前来自父方和母方的等位基因具有不同的甲基化模式是导致基因亲缘性差异表达的主要原因。基因组印记过程是在配子形成时就

7、已开始，使个体表现出上代遗传下来的基因组印记的效应。但当该个体产生自身的配子时，来自父方和母方的印记将全部被消除，然后再重新打上自身的基因组印记。 基因组印记是表观遗传变异的一种。即DNA序列未变化而表型发生可遗传变化的现象。,第三节 叶绿体和线粒体遗传,叶绿体遗传,1.叶绿体遗传的表现,紫茉莉的花斑叶色遗传中，杂种植株的表型完全取决于母本枝条的表型，与提供花粉的枝条无关，而叶色是和叶绿体中叶绿素的形成有关。,花斑枝条： 绿细胞中含有正常的绿色质体(叶绿体)； 白细胞中只含无叶绿体的白色质体(白色体)； 绿白组织交界区域：某些细胞内即有叶绿体、又有白色体。 紫茉莉的花斑现象是叶绿体的前体（质体

8、）变异而引起的。,玉米埃型条斑的遗传（inheritance of striped iojap trait）,这也是高等植物叶绿体遗传的一个典型例子。埃型条斑基因ij位于第七染色体上，纯合隐性时（ijij）的玉米植株或是不能成活的白化苗（这是因为ijij的基因型能引起叶绿体发生突变，不能形成叶绿素），或是在茎和叶上形成具有特征性的白绿条斑。,母本是正常绿色，父本是条斑，呈现典型的孟德尔比例。, IjIj（绿色） ijij（埃型条斑） ,II,ii,P,Gm,I,i,Ii,F1,绿色,形成条斑的原因是：虽从卵子得到正常叶绿体，但ii本身不能形成正常叶绿体，而是形成白色的质体。受精卵在细胞分裂过程

9、中，两种质体的分配不均等。,母本是条斑而父本正常时，看不到典型的孟德尔比数。这是因为白色质体一旦形成，就可通过母本传递下去，可见质体具有遗传上的自主性。 ijij（条斑） IjIj（绿色）,P,ii,II,Gm,i,i,i,I,F1,绿,白,条斑,Ii,Ii,Ii,玉米条斑叶未形成之前，Ij基因具有细胞核遗传的行为。在核基因隐性纯合(ijij)时，会引起叶绿体基因发生突变。但是一旦质体发生变异，就显示出细胞质遗传的特征，一直被持续下去，它的保持不再需要纯合ijij基因的存在。,2.叶绿体遗传的分子基础,叶绿体DNA的分子特点：ctDNA (chloroplast DNA)是双链环状DNA，大小

10、在120-200Kb。在高等植物中每个叶绿体内含有30-60个拷贝，叶绿体DNA占细胞DNA总量的2%-4%。另外，ctDNA基因组有两个反向重复序列(IR)和一个短单拷贝序列(short single copy sequence，SSC)及一个长单拷贝序列(long single copy sequence，LSC)；具有类似原核生物的遗传信息表达系统(70S核糖体、多顺反子RNA等)。,水稻叶绿体基因组,叶绿体基因组为半自主性DNA,叶绿体DNA同样能够独立地进行复制、转录以及蛋白质合成。但叶绿体自身结构和生理活动都需要核基因的参与并受其控制，如叶绿体类囊体膜蛋白有7种是核基因编码，12种

11、由叶绿体基因编码。Rubp羧化酶8个大亚基由叶绿体基因编码，而8个小亚基则由核基因编码。说明叶绿体基因组仅有相对的自主性或是半自主性。,线粒体遗传,1.线粒体遗传的表现,和叶绿体突变型一样，线粒体突变型通过细胞质传递，也不符合孟德尔的遗传模式。如链孢霉的缓慢生长型突变(不产生细胞色素氧化酶)与野生型的正反交后代在表型上有明显差异,原子囊果,分生孢子,ad-：腺嘌呤缺陷型，由核基因决定,2.线粒体遗传的分子基础,线粒体DNA的分子特点:mtDNA(mitochondrial DNA)双链分子，主要呈环状，但也有线性分子，大小变化较大，动物为14-39kb、植物为200-500kb。线粒体基因组主

12、要编码和呼吸有关的基因，如细胞色素氧化酶的3个大亚基、细胞色素b-c1复合物的一个大亚基、ATP酶的几个亚基以及内膜几种蛋白质的基因、tRNA及rRMA基因。但线粒体上的其他蛋白（90多种）基因都是由核基因编码的，包括线粒体基质、内膜、外膜以及转录和翻译机构所需的大部分蛋白质。说明线粒体也是一种半自主细胞器。,玉米线粒体DNA,衣藻线粒体DNA(线形),叶绿体DNA,线粒体DNA,两种细胞器DNA大小的比较,第四节 共生体的遗传,在某些真核生物中，存在着一种细胞质颗粒，它们并不是细胞生存的必须组成成分，而是以某种共生的形式存在于细胞中，因而被称为共生体。这种共生体颗粒能够自我复制，或在寄主细胞

13、核基因组的作用下进行复制，连续地保持在寄主细胞中，并对寄主的表现产生一定的影响。,草履虫是一种常见的原生动物，种类很多。一般有一个大核，是多倍体，主要负责营养；两个小核是二倍体，主要负责遗传。草履虫既可以无性生殖又可以进行有性生殖（见右图）。,某些草履虫能释放出一种叫草履虫素的物质，对己无害，但对其它品系(敏感型)有毒甚至是致死。放毒型草履虫必须有：细胞质因子，卡巴粒；核显性基因K,放毒型：敏感型=1：3,放毒型：敏感型=1：1,第五节 植物雄性不育的遗传,主要特征是雄蕊发育不正常，不能产生有正常功能的花粉，但其雌蕊发育正常，能接受正常花粉而受精结实。 在植物界普遍存在，已知涉及18个科的11

14、0多种植物。如水稻、玉米、高梁、大麦、小麦、甜菜、油菜等。 其中水稻、油菜、玉米雄性不育性已用于大田生产之中。,1.核不育型：由核内染色体上基因所决定的雄性不育类型。花粉败育发生在花粉母细胞减数分裂期间(败育彻底)。多数核不育型受简单的一对隐性基因(ms)所控制，msms为雄性不育，Ms_为育性正常。但也有一些植物(棉花、小麦、谷子等)中发现有显性雄性核不育基因。,一、植物雄性不育的类型,这种核不育的利用有很大的限制， 无保持系。,利用光温敏核不育为解决核不育的保持系的问题提供了可能性：（既是不育系又是保持系）,水稻的光敏核不育材料： 长日照条件下为不育(14h，制种)； 短日照条件下为可育(

15、13.75，繁种)。 水稻的温敏核不育材料： 28，不育； 23-24育性转为正常。,1973年，石明松在晚粳农垦58中发现“湖北光敏核不育水稻“农垦58S”，核不育系的利用受到极大的关注。 “农垦58S”在长日照条件下为不育，短日照下为可育，这样可将不育系和保持系合而为一，提出了生产杂交种子的“二系法”。,光温敏核不育利用,S S S R(恢复系),光温诱导可育,光温诱导不育,（可育）,（不育）,自交,S（繁殖）,F1（制种）,光敏核不育系,短日照可育,长日照不育,光敏核不育系,恢复系 ,F1杂交种,恢复系,光敏核不育水稻农垦58杂交制种示意图,CMS：由细胞质基因和核基因互作控制的不育类型

16、，简称质核型。花粉的败育多发生在减数分裂以后的雄配子形成期。,2. 核质互作型(cytoplasmic male sterility，CMS),核质互作型的遗传特点： 胞质不育基因为S； 胞质可育基因为N； 核不育基因r，不能恢复不育株育性； 核可育基因R，能够恢复不育株育性。,S(rr)N(rr),S(rr) F1表现不育,其中：N(rr)个体具有保持母本不育性在世代中稳定的能力，称为保持系(B)。 S(rr)个体由于能够被N(rr)个体所保持，其后代全部为稳定不育的个体，称为不育系(A)。,S(rr)N(RR)或S(RR) S(Rr)中，F1全部正常可育。 N(RR)或S(RR) 个体具有

17、恢复育性的能力，称为恢复系(R)。,生产上的应用： 质核型不育性由于细胞质基因与核基因间的互作，故即可以找到保持系 不育性得到保持、也可找到相应恢复系 育性得到恢复，实现三系配套。,不育系A：S(rr)、 保持系B：N(rr)、 恢复系R：S(RR) 或N(RR),同时解决不育系繁种和杂种种子生产的问题： 繁种：A（不育系）B（保持系） A 制种：A（不育系）R （恢复系） F1,利用三系制种方法,小麦不育系（右）和保持系（左）的花药,杂交小麦制种田,杂交稻制种田,杂交油菜制种田,水稻三系杂种优势的利用： 1973年:实现水稻三系配套、并成功 的应用于大田生产。 1981年:获得国家第一个特等

18、发明奖，以第一个农业技 术专利转让美国。 1991年:杂交稻种植面积为26083.5万亩(1738.9公顷)， 增产效果明显(5075kg/亩)。 1997年:杂交稻种植面积为25987.5万亩(1732.5万 顷)，约占水稻种植面积的62.84%，总产12236.34 万吨，单产468.67公斤/亩(7.03吨/公顷)，比全国水 稻平均产量增11.17%。杂交稻制种156.9万亩 (10.46万公顷)，制种平均产量为181.33公斤/亩(2.72 吨/公顷)。,油菜三系杂种优势的利用： 1972年，傅廷栋等发现“波里马”油菜细胞质雄性不育； 1976年，湖南农科院首先实现“波里马”雄性不育的

19、三系 配套。 1980年，李殿荣等发现“陕2A”油菜细胞质雄性不育； 1983年，实现“陕2A”油菜雄性不育的三系配套； 油菜杂交种：秦油2号、华杂2 号、川油12号、蜀杂1 号、油研5号等细胞质雄性不育系杂种已推广 应用。 1992年，我国杂种油菜种植面积已近1.33106hm2，约 占油菜总面积20。,二、核质互作型不育性遗传的复杂性,1.孢子体不育和配子体不育:,孢子体不育：花粉的育性受孢子体基因型所控制，而与本身花粉的育性无关,孢子体基因型为rr 花粉全部败育； 孢子体基因型为RR 花粉全部可育； 孢子体基因型为Rr 产生的花粉中有R也有r，但均可育，自交后代表现株间分离：要么一株产生的花粉都可育，要么一株产生的花粉都不育。,配子体不育：指花粉育性直接受雄配子体(花粉)本身的基因所决定,配子体内核基因为R 该配子可育； 配子体内核基因为r 该配子不育。 如果孢子体为杂合基因型Rr的自交后代中，将有一半植株的花粉是不育的，表现为穗上分离：同一植株或同一花朵甚至同一花药，有可能一部分花粉可育，一部分花粉不育。,2细胞质不育的多样性与细胞核育性基因的对应性 同一作物种存在有多种多样的不育细胞质，每种不育细胞质只有与特定的核不育基因对应时，才表现不育。 例如，普通小麦有19种不同的不育细胞质（T型、K型等等）。T（rfrf）、K（rfv