遗传的细胞学基础

第二章遗传的细胞学基础,第一节细胞的结构和功能第二节染色体的形态和数目第三节细胞的有丝分裂第四节细胞的减数分裂第五节配子的形成和受精第六节生活周期,2.1.细胞的结构和功能,一原核细胞：没有核结构，各种细菌、蓝藻等低等生物由原核细胞构成。二真核细胞：不仅含有核物质，还有核结构，所有的高等生物，以及单细胞藻类、真菌和原生动物等都属此类。真核细胞的结构：（1）细胞膜；（2）细胞质；（3）细胞核。具有重要遗传功能的细胞器：线粒体、叶绿体、核糖体和内质网。,基本概念,细胞(cell)是多细胞生物最小的“建筑”单位，细胞只可能由另一个细胞通过分裂而产生。原核生物(prokaryote)是最简单的单细胞生物，如细菌。原核生物缺乏由膜包被的核，以二等分裂(binaryfission)来繁殖。原核生物的遗传物质是单个环状的DNA分子，DNA上结合有少量的蛋白质。真核生物(eukaryote)的细胞中，遗传物质位于有膜包被的核中，遗传物质分布在各条线状染色体上，每条染色体都由很多蛋白质和DNA组成。,细胞核的组成：,1、核膜：为核的表面膜，膜上有核孔，在细胞分裂的前期核膜解体，分裂的后期核膜重新形成。2、核液：3、核仁：为园形，数目1-几个，有短暂消失和重新聚集行为。4、染色质和染色体：为核中被碱性染料染色的网状物，是遗传物质的载体，在细胞分裂的不同时期，其形态发生系列变化。染色质和染色体是同种物质在细胞分裂过程中所表现的不同形态。,2、2、染色体的形态和数目,一染色体的形态特征:染色体是细胞核中最重要的组成部份。几乎所有的生物细胞中，包括噬菌体在内，在光学显微镜或电子显微镜下都能看到染色体的存在。染色体是遗传物质的载体。各物种的染色体都有特定的形态特征。有丝分裂的中期，染色体收缩得最粗最短，也最明显和典型，是观察染色体的最好时期。,基本概念,二倍体细胞具有二套染色体，分别来自于两个亲本，每对染色体的两个成员被称为同源染色体(homologouschromosome)，单倍体真核细胞仅有一套染色体。有丝分裂(mitosis)是二倍体或单倍体真核细胞分裂的过程。有丝分裂产生两个子核，它们含有相同的染色体数和遗传信息。,基本概念,减数分裂(meiosis)发生在有性生殖的真核细胞中。它是由二倍体细胞或核通过一次DNA复制和二次分裂产生4个单倍体细胞或核的分裂过程。减数分裂的4个子细胞染色体数比母细胞减少一半。由于父本和母本的染色体的重新组合及染色体的交换，使4个子细胞所含的遗传信息有一定的差异。遗传的染色体学说指出染色体是基因的载体。,染色体的分类：,1、中间着丝点染色体：“V型”2、近中着丝点染色体：“L型”3、近端着丝点染色体：“棒状”4、端着丝点染色体：“棒状”5、粒状染色体：“颗粒状”,2.1染色体(chromosome),长臂,短臂,随体,副缢痕,中间着丝粒,近端着丝粒,端着丝粒,部分生物的染色体数目,2.2有丝分裂(mitosis),19世纪末，FlemmingW(1882)和BoveriT(1891)分别发现了有丝分裂和减数分裂，为遗传的染色体学说提供了理论基础。,细胞周期(cellcycle)：从一个新产生的细胞到它分裂产生子细胞这一过程称为细胞周期。它可分成四个阶段：M期、S期、G1期和G2期。M是分裂期，通常是细胞周期中最短的时期，约占整个时期的5-10%的时间。DNA的合成发生在S期(systhesis).G1(gap1)和G2(gap2)是S期和M期之间的两个间隙期。G1、S、G2合称为间期(interpahse)。此期染色质均匀地分布于核中，所以在显微镜下看不到染色体。,S期,40%2-4nDNA,G1期,25%2nDNA,G2期,25%4nDNA,M期,10%,nucleolus,间期(interphase),2.2.1有丝分裂的过程,可分为四个阶段，前期、中期、后期、末期,2.2.1.1、前期(prophase)染色体开始逐渐缩短变粗，形成螺旋状。当染色体变得明显可见时，每条染色体已含有两条染色单体(chromatids)，互称为姐妹染色单体(sisterchromatids)，通过着丝粒把它们连接在一起。至前期末，核仁(nucleoli)逐渐消失，核膜开始破裂，核质和细胞质融为一体。,染色体,核仁,中心体,早前期(earlyprophase)(图例为洋葱根尖切片),晚前期(lateprophase),2.2.1.2中期(metophase),在此期纺缍体(spindle)逐渐明显，这个鸟笼状的结构在核区形成，由细胞两极间一束平行的纤丝构成。着丝粒附着在染色体上，染色体向细胞的赤道板(equatorialplane)移动,纺缍丝,中期(metophase),Scanningelectronmicrographofthecentromericregionofametaphasechromosome,2.2.1.3后期(anaphase),在后期，着丝粒纵裂为二，姐妹染色单体彼此分离，各自移向一极。染色体的两臂由着丝粒拖着移动，这时染色体是单条的，称为子染色体,着丝粒,后期(anaphase),Fluorescentmicroscopeimageofaculturedcellinanaphase.,2.2.1.4末期(telophase),末期子细胞的染色体凝缩为一个新核，在核的四周核膜重新形成，染色体又变为均匀的染色质，核仁又重新出现，又形成了间期核。末期结束时，纺缍体被降解，细胞质被新的细胞膜分隔为两部分，结果产生了两个子细胞，其染色和原来细胞中的完全一样。,末期(telophase),早前期,晚前期,早后期,晚后期,末期,中期,间期,间期,早前期,晚前期,中期,后期,末期,形成两个子细胞,有丝分裂的意义,保持生物的遗传稳定性有丝分裂是生物进化的产物，是一种比较完善和理想的细胞分裂方式，促进了生物由低级向高级的进化发展。维持了个体的正常生长和发育。,有丝分裂的特殊性,多核细胞：细胞核进行多次重复分裂，细胞质不分裂，形成一个细胞中（质）具有多个核。核内染色体分裂：核内染色体分裂（染色线连续复制），而细胞核不分裂，形成多线染色体或巨型染色体。如果蝇的唾腺染色体。,果蝇唾腺染色体,2.3减数分裂(meiosis),减数分裂（又称成熟分裂）：是在配子形成过程中进行的一种特殊的有丝分裂。包括两次连续的核分裂而染色体只复制一次，每个子细胞核中只有单倍数的染色体的细胞分裂形式。两次连续的核分裂分别称为第一次分裂和第二次分裂。每次分裂都可以分成前、中、后、末四期。其中最复杂和最长的时期是前期I，又可分为细线期、偶线期、粗线期、双线期和终变期。,两次分裂的不同：,第一次分裂是减数的；第二次分裂是不减数的。第一次分裂复杂，时间长；第二次分裂跟一般的有丝分裂一样。,2.3.1Concernedconcept,同源染色体(homologouschromosome)：在二倍体生物中，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。不属于同一对的染色体称为非同源染色体(nonhomologouschromosome)。,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，中止在双线期。,2.3.1Concernedconcept,联会复合体(synaptonemalcomplex,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。交叉(chiasma)：非姐妹染色单体间若干处相互交叉缠结，交叉是染色单体发生交换的结果。交换(crossingover)：非姐妹染色单体间发生遗传物质的局部交换。,2.3.2减数分裂(meiosis),2.3.2.1前期I(prophaseI),和有丝分裂一样，DNA的合成发生在S期，但复制的产物直到晚前期I才能看见。前期I经历时间较长，又可分为五个亚时期。,1)、细线期(leptotene)此期染色体呈细长线状，核仁依然存在。在细线期和整个的前期中染色体持续地浓缩。2)、偶线期(zygotene)同源染色体开始联会，出现联会复合体。,姊妹染色单体,非姊妹染色单体,交换,染色体断裂,二价体(bivalents)：配对的一对同源染色体。,3)、粗线期(pachytene)染色体完全联会，缩短变粗，但核仁仍存在。一对配对的同源染色体称二价体(bivalent)或四联体(tetrad)。非姐妹染色单体间可能发生交换。4)、双线期(diplotene)染色体继续变短变粗，双价体中的两条同源染色彼此分开。在非姐妹染色单体间可见交叉结，交叉结的出现是发生过交换的有形结果。交叉数目逐渐减少，在着丝粒两侧的交叉向两端移动，这种现象称为交叉端化。5)、终变期(diakinesis)染色体进一步收缩变粗变短，便于分裂时移动。,玉米减数分裂前期I中的几个亚时期,前期I,细线期,偶线期,粗线期,双线期,终变期,一个来自蝗虫的四联体结构，示5个交叉,2.3.2.2中期I(metophaseI)核仁、核膜消失，各个双价体排列在赤道板上，着丝粒分居于赤道板的两侧，附着在纺缍丝上，而有丝分裂的中期着丝粒位于赤道板上。中期I着丝粒并不分裂。2.3.2.3后期I(anaphaseI)双价体中的同源染色体彼此分开，移向两极，但同源染色体的各个成员各自的着丝粒并不分开。,2.3.2.4末期I(telophaseI)此末期和随后的间期也称分裂间期(interkinesis)，并不是普遍存在的，在很多生物中没有这一阶段，也没有核膜重新形成的过程，细胞直接进入第二次减数分裂。在另一些生物中，末期I和分裂间期是短暂的，但核膜重新形成。在很多情况下，此期不合成DNA，染色体的形状也不发生改变。以着丝点来计算染色体的条数，减数分裂I可称为“减数分裂”(reductiondivision)，而减数分裂II则称为“等数分裂”(equationaldivision)。,玉米减数分裂I示中期、后期、末期和间期,2.3.3减数分裂(meiosis),2.3.3.1前期II(prophaseII)与有丝分裂的前期一样，每个染色体具有两条染色单体。2.3.3.2中期II(metophaseII)染色体排列在赤道板上，纺缍丝附着在着丝粒上。染色单体从彼此相联逐渐部分地分离。2.3.3.3后期II(anaphaseII)着丝粒纵裂，姐妹染色单体由纺缍丝拉向两极。2.3.3.4末期II(telophaseII)4个子细胞形成。,玉米减数分裂II,中期I,后期I,末期I,中期II,后期II,2.3.4减数分裂的特点,具有一定的时空性，也就是说它仅在一定的发育阶段，在生殖细胞中进行。减数分裂经第一次分裂后染色体数目减半，所以减数分裂的产物是单倍体。前期长而复杂，同源染色体经历了配对（联会）、交换过程，使遗传物质进行了重组。每个子细胞遗传信息的组合是不同的。,2.3.5减数分裂过程中染色体的变迁,前期I中期I染色体数为2n。后期I中期II染色体数目由2nn。但每个染色体仍保持有两条染色单体。后期II末期II染色体数目为n。在后期II