遗传的三大定律

第二章遗传的三大基本定律,问题,1、怎样认识和研究生物性状的遗传现象？2、研究生物性状的遗传有规律可循吗？怎样才能揭示和证明这些规律的存在？3、三大遗传规律的本质是什么？怎样正确认识规律之外的例外情况？4、孟德尔、摩尔根的成功经验有哪些？这些经验对我们的工作有什么主要启示？,第一节 孟德尔及其孟德尔定律第二节 基因与环境作用的关系第三节 孟德尔定律的扩展第四节 遗传的染色体学说第五节 连锁与交换定律,第二章遗传的三大基本定律,第一节 孟德尔及其孟德尔定律,孟德尔分离定律自由组合定律遗传数据的统计处理,几个概念,亲代（P）子一代（F1）子二代（F2）正交与反交自交回交测交,孟德尔(Gregor J. Mendel,1822-1884)及其杂交试验,从1856-1871年进行了大量植物杂交试验研究；其中对豌豆(严格自花/闭花授粉)差别明显的7对简单性状进行了长达8年研究，提出遗传因子假说及其分离与自由组合定律(Mendels Laws)；1865年2月8日和3月8日先后两次在布隆自然科学会例会上宣读发表；1866年整理成长达45页的植物杂交试验一文，发表在布隆自然科学会志第4卷上。,奥地利布隆(Brnn)现捷克布尔诺(Bruo),豌豆杂交操作方法,一、孟德尔的豌豆杂交实验表 11 孟德尔的豌豆杂交实验7对性状的结果,二、孟德尔植物杂交实验的特点,（一）设计严密，层次分明 1、亲本（parental generation )杂交 (1) 严格选材 (2) 选择研究的性状 (3) 采用正反交（reciprocal crosses） (4) 设立对照实验,2、杂种1代（F1）的观察： 确定了：显性性状 (dominant character) 隐性性状 (recessive character) 否定了融合遗传观念，提出了颗粒式遗传3、F2 代的观察进行统计处理；采用大样本；通过自交来研究其遗传结构。,纯合基因型,杂合基因型,RR+2Rr,rr,RR,首创了测交方法,（1）遗传因子成对存在，形成生殖细胞时彼此分离（2）以A代表显性性状，a代表隐性性状，Aa表示杂合类型，那么在F2代中后代的构成可用公式：1A+2Aa+1a 表明各种类型的基因型以及比例。,（二）科学推论，合理解释：,创用测交方法对推论加以验证 测交（test cross）： 是指将杂种后代和隐性亲本进行杂交。 回交（back cross）： 是指杂种后代和任一亲本杂交。,（三）精确验证,三、孟德尔定律（Mendels laws）,对一对性状的观察得出了三条规律： F1代的性状一致，通常和一个亲本相同。得以表现的性状为显性，未能表现的性状称隐性，此称F1一致性法则 在杂种F2代中，初始亲代的二种性状（显性和隐性）都能得到表达（分离现象） F2代中两性状的比例总为 3：1。,六位学者重复孟德尔植物杂交实验的结果,（一）分离定律（Law of segregation）,1、分离定律的实质 控制性状的一对等位基因在产生配子时彼此分 离，并独立地分配到不同的性细胞中。 2、分离定律的意义 （1）具有普遍性 遗传病约有4344种（1988年） 侏儒（先天性软骨发育不全） 显性 裂手裂足 舞蹈病（Huntington）,一个患先天性软骨发育不全症(侏儒症)的男孩,白化 半乳糖血症 隐性 苯丙酮尿症 全色盲 早老症 自毁容貌综合征 （2）杂合体是不能留作种子,一个患有白化病的印第安霍皮人女孩(中),人类家谱分析中常用的符号 男 男女患者 女 男女携带者 不知性别 性连锁携带者 婚配 流产儿或死胎 近亲婚配 已故家庭成员 生育子女 先证者 同卵双生 I 人类遗传家谱 II 异卵双生 1 2 3,（二）自由组合定律（law of independent assortment）,在研究两对相对性状后提出1、自由组合定律的内容： 即在配子形成时各对等位基因彼此分离后， 独立自由地组合到配子中2、自由组合定律的实质： 配子形成时非同源染色体自由组合,3自由组合的解释,重组合,4测交验证,5多对基因的杂交,6. 孟德尔自由组合定律的意义,自由组合定律广泛存在，如蜜蜂的腐臭病（foul brood）使生物群体中存在着多样性，使得生物得以生存和进化 可应用于育种，有利于组合双亲优良性状，并可根据杂交后代出现的优良组合及比例，确定育种工作的规模,孟德尔植物杂交试验成功的因素,选用适当的研究材料：豌豆：闭花授粉(天然纯合的纯种)；相对性状差异明显；(从22个初选性状中)选择7个单位性状正好分别位于7对同源染色体上；易于种植和进行人工授粉(杂交)操作严格的试验方法与正确的试验结果统计分析方法：试验方法：有目的的试验设计、足够大的试验群体等统计分析方法：按系谱进行考察记载、进行归类统计并计算其类型间的比例(坚实的数理科学基础)。独特的思维方式：由简到繁、先易后难，高度的抽象思维能力，“假设推理论证”科学思维方法的充分应用。,孟德尔定律长期不被接受的原因,达尔文于1859年发表的自然选择学说及其所引起的争论吸引了过多的注意力；而孟德尔在科学界是一个籍籍无名之辈；他的研究表明遗传因子与性状在世代间的稳定传递，与当时进化论强调的生物界广泛变异的思想也似乎并不相吻合。,孟德尔思想的超前性。颗粒遗传观念、统计分析方法、严密的逻辑思维等都超出了同时代学者们的理解和接受能力。遗传因子仅仅是一个抽象概念。当时对生物有性生殖过程及其机制知之基少，连染色体也是1888年才命名的。,孟德尔定律长期不被接受的原因,孟德尔本人对其理论普遍适用性的研究遇到挫折。由于他在材料选择上的不幸，结果他并不能用遗传因子假说来解释蜜蜂、山柳菊属植物等的遗传现象。而在材料的选择上，很大程度上是受到一个当时的学术权威慕尼黑大学植物学教授耐格里的影响。可能连他自己都怀疑其理论的正确性或适用范围；尽管对豌豆的7对相对性状的试验是完全能够自圆其说。,（一）概率的概念 概率（probability） nA 概率的公式为： P(A)= lim n n P(A)：A事件发生的概率 n ： 群体中的个体数或测验次数 nA： A事件在群体中出现的次数,四、统计学原理在遗传学中的应用,（二）概率规则 1、相乘定律： 独立事件 （independent events） P(AB) = P(A) P(B) 2、相加定律 互斥事件（matually exclusive events） P(A或B) = P(A) + P(B) 3、组合事件（combining probability rule） P=1/21/2+1/21/2=1/2,四、统计学原理在遗传学中的应用,4、 条件概率（conditional probability） 若事件B与早先出现过的事件A有联系，则在A条件下B的概率称为条件概率 记为： P(B|A) P(AB)P(A),利用概率来计算基因型、表型频率,AA Bb cc DD EeAa Bb CC dd Ee P AAAa BbBb ccCC DDdd EeEe 要求的基因型 AA BB Cc Dd ee 概率 P = 1/2 1/4 1 1 1/4 = 1/32 要求的表型 A B C D e 概率 P = 1 3/4 1 1 1/4 = 3/16,（三）适合度测验（goodness of fit）,适合度：实际数和理论数的符合程度 2（Chi square method）测验2=(O-E)2/E O：观察值；E：预期值 (1) 2测验应用于大样本 (2) 预期数不得小于5 (3) 所取数值不用百分比表示。,统计的标准:P0.05 结果与理论数无显著差异，实得值符合理论值。P0.05 结果与理论数有显著差异，实得值不符合理论值。P0.01 结果与理论数有极显著差异，实得值非常不符合理论值。,查2表(表2-4)：自由度n211当210 P0.01 有极显著差异，结果不符合理论比。当22 0.05 P 0.30 无显著差异，结果符合理论比。,第二节 基因与环境作用的关系,水毛茛（Ranunculus aguatilis）太阳红玉米 见光部分为红色，不见光部分绿色 喜马拉雅白化兔 25C时在体温较低部分的毛都是黑色的，其余部分全为白色。但在30C以上的环境里长出的毛全为白色,常用概念,表型模写（phenocopy）外显率 （penetrance）表现度 （expressivity）,外显率,表现度,第三节 基因间的相互作用,一、等位基因间的相互作用 1、不完全显性（incomplete dominance）与 半显性 （semidominance）,金鱼草花色的半显性,F1,P 红花白花 黑羽白羽 黑缟蚕白蚕 F1 粉红 灰羽 灰缟蚕 F2 红花 粉红 白花 黑羽 灰羽 白羽 黑蚕 灰缟 白蚕 1 ： 2： 1 1 ： 2 ： 1 1 ：2 ：1 紫茉莉花色 鸡的羽色 家蚕的体色 (a) (b) (c) P 棕色白色 透明鱼 非透明鱼 F1 淡棕 半透明 F2 棕色 淡棕 白色 透明鱼 半透明 非透明 1 ： 2 ： 1 1 ： 2 ： 1 马的皮毛 金鱼身体的透明度 (d) (e)不完全显性的遗传方式,2、共显性（codominance）,MN血型遗传 M N ( LMLM ) ( LNLN ) ( LMLN )MN MN M MN N 1 : 2 : 1,3、嵌镶显性（mosaic dominance）,鞘翅瓢虫（Harmonia axyridis）,4、超显性（overdominance）,5、随所依据标准的不同显隐性关系改变,镰形贫血症HbS vs HbA从临床角度看：隐性从镰形细胞的有无看：完全显性从镰形细胞的数目看：不完全显性从蛋白电泳条带看：共显性,6、致死基因（lethal genes）,1904年法国学者居埃诺（Lucien Cuenot） 黄色 黑色 黄色 黄色 黄色 黑色 黄色 黑色 1 ： 1 2 ： 1 白斑银狐，曼岛猫（Manx cat）,AYa AYa 黄 黄 1AYAY 2AYa 1aa (死亡) 黄色 黑色 致死等位基因（lethal allele)显性致死（dominant lethal）隐性致死（recessive lethal）,7、复等位基因（multiple alleles）,人类ABO系统血型表 血型表型 基因型 抗原 抗体 基因和产物 (在细胞膜上) (在血清中) A IAIA,IAi A （抗B） IA(9q34) N-乙酰 半乳糖转移酶 B IBIB,IBi B （抗A) IB(9q34) 半乳糖转移酶 AB IAIB AB - 二者兼有 O ii - （抗A抗B）i(9q34) 无相应产物,孟买型与H抗原,一个孟买个体的家系,植物自交不亲和性（烟草）,一定数量等位基因构成基因型的数目 等位基因 基因型种类 纯合子种类 杂合子种类 1 1 1 0 2 3 2 1 3 6 3 3 4 10 4 6 5 15 5 10 n n(n+1)/2 n n(n-1)/2,如何正确理解显隐性关系的可变性？,相对性条件性多表现性等理解：1、基因决定性状的分子机制 2、性状表现的内在与外在因素,二、非等位基因间的相互作用,基因互作,互交,基因互作,P与R互作，形成胡桃冠性状p与r互作，形成单冠性状表型比例为 9: 3: 3: 1,互补效应（complement effect）,CCrr,ccRR,CcRr,C_R_,C_rr, ccR_, ccrr,CCRR,CCrr（或ccRR）,CCRr（或CcRR）,CCR_,CCrr,或C_RR,ccRR,互补效应又称双隐性上位（double recessive epistatic）表型比为9: 7,机理：互补基因控制同一代谢过程的不同阶段,上位效应（epistasis）,显性上位（dominant epistasis）：表型比12: 3: 1,机理：分解合成色素，一对基因决定有无色（上位），一对决定深浅,隐性上位（ recessive epistasis ）：表型比为9: 3: 4,P 黑色 白化 RRCC rrcc F1 黑色 RrCc 互交 F2 黑色 黄色 白化 白化 R_C_ rrC_ (R_cc rrcc) 9 : 3 : 4小鼠毛色的隐性上位效应,机理：隐性上位决定前体物质的合成,抑制基因（suppression gene）,欧洲白茧IIyy 黄茧iiYY,白茧IiYy,I_Y_ I_yy iiY_ iiyy 9白茧 3白茧 3黄茧 1白茧,家蚕蚕色的遗传抑制基因,表型比：13: 3,互交,互交,抑制作用与上位作用既相似又有所不同：起抑制作用的基因必须是显性，本身不能直接决定性状发育而显性上位基因除遮盖其他基因的表现外，本身还决定性状发育,积加作用（additive effect）,两对或两对以上基因互作时，显性基因对数累积愈多，性状表现愈明显的现象表型比为9: 6: 1例如：猪毛色的遗传 南瓜果形的遗传,积加作用（additive effect）,P 棕红 白色 AABB aabb F1 棕红 AaBb 互交 F2 棕红 淡棕 淡棕 白色 A_B_ （A_bb aaB_） aabb 9 : 6 : 1 猪毛色遗传的积加作用,猪毛色遗传,机理：两个非等位基因独立地发生效应，并有累加效应,南瓜果形的遗传,扁形 长形 AABB aabb 扁形 AaBb 互交 扁形 球型 长形 A_B_ A_bb aaB_ aabb 9 : 6 : 1,重叠作用（duplicate effect）,如果两对或两对以上等位基因同时控制一个单位性状，只要其中一对等位基因中存在显性基因，个体便表现显性性状，两对基因均为纯合隐性时，个体表现隐性性状。表型比为15：1例如：荠菜蒴果形状的遗传,荠菜种子形状的遗传,P 三角形 卵形 T1T1T2T2 t1t1t2t2 F1 三角形 T1t1T2t2 互交 F2 三角形 三角形 三角形 卵形 (T1_T2_ T1_t2t2 t1t1T2_) t1t1t2t2 15 : 1,三角形,机理：重叠基因都具有相同的作用,非等位基因互作小结,当两对非等位基因决定同一性状时，由于基因间的各种相互作用，修饰了孟德尔比例从遗传学发展的角度来理解应该视为对孟德尔定律的扩展，而不是相反,各种基因互作所出现的被修饰的表型比例,类型 分离比例 举例基因互作 9: 3: 3: 1 鸡冠形状互补效应 9: 7 香豌豆花色显性上位 12: 3: 1 南瓜皮色隐性上位 9: 3: 4 家鼠毛色抑制基因 13: 3 家蚕茧色积加作用 9: 6: 1 猪毛色重叠作用 15: 1 荠菜果形,第四节 遗传的染色体学说,染色体在细胞分裂过程中的行为染色体周史遗传的染色体学说 Sutton和Boveri假说：根据基因的分离和自由组合与染色体在减数分裂中的分离和合子形成中的自由组合并行不悖的事实提出了遗传的染色体学说（p46-48）,第五节 连锁与交换定律,一、连锁遗传现象二、连锁遗传的解释三、完全连锁与不完全连锁四、交换与不完全连锁的形成五、重组型配子的比例六、交换的细胞学证据,一、连锁遗传现象,(一)、香豌豆(Lathyrus odoratus)两对相对性状杂交试验花色： 紫花(P) 对 红花(p) 显性花粉粒形状： 长花粉粒(L) 对 圆花粉粒(l) 显性1. 紫花、长花粉粒红花、圆花粉粒2. 紫花、圆花粉粒红花、长花粉粒,组合一：紫花、长花粉粒红花、圆花粉粒,结果：F1两对相对性状均表现为显性，F2出现四种表现型；F2四种表现型个体数的比例与9: 3: 3: 1相差很大，并且两亲本性状组合类型（紫长和红圆）的实际数高于理论数，而两种新性状组合类型（紫圆和红长）的实际数少于理论数,组合二：紫花、圆花粉粒红花、长花粉粒,结果：F1两对相对性状均表现为显性，F2出现四种表现型； F2四种表现型个体数的比例与9: 3: 3: 1相差很大，并且两亲本性状组合类型（紫圆和红长）的实际数高于理论数，而两种新性状组合类型（紫长和红圆）的实际数少于理论数。,亲本所具有的两个性状，在F2中常常连系在一起而遗传，这种现象叫做连锁遗传互引相（coupling phase）（AB/ab）互斥相（repulsion phase）（Ab/aB or Ab/Ab）,二、连锁遗传的解释,为什么F2不表现9: 3: 3: 1的表现型分离比例(一) 每对相对性状是否符合分离规律(二) 非等位基因间是否符合独立分配规律(三) 摩尔根等的果蝇遗传试验(四) 连锁遗传现象的解释,每对相对性状是否符合分离规律？,两对相对性状自由组合？,测交法：测定杂种F1产生配子的种类和比例赫钦森(C. B. Hutchinson, 1922)玉米测交试验籽粒颜色： 有色（C）对 无色（c）显性籽粒饱满程度：饱满（Sh）对 凹陷（sh）显性相引相测交试验；相斥相测交试验。试验结果分析：F1产生的四种类型配子比例不等于1: 1: 1: 1；亲本型配子比例高于50，重组型配子比例低于50，且亲本型配子数基本相等，重组型配子数也基本相等。,测交：相引相,测交：相斥相,摩尔根等的果蝇遗传试验,果蝇(Drosophila melanogaster)体色与翅长的连锁遗传：体色：灰身（B）对 黑身（b）为显性翅长：长翅（V）对 残翅（v）为显性相引相杂交与测交结果：雄性F1形成两种类型的配子，比例为1: 1雌性F1形成四种类型的配子，但比例显然不符合1: 1: 1: 1，且亲本类型配子明显多于重组型配子；两种亲本型配子数大致相等，两种重组型配子数也大致相等,1 : 1,0.42 : 0.08 : 0.08 : 0.42,连锁遗传现象的解释,连锁遗传规律：连锁遗传的相对性状是由位于同一对染色体上的非等位基因间控制，具有连锁关系，在形成配子时倾向于连在一起传递；交换型配子是由于非姊妹染色单体间交换形成的。控制果蝇体色和翅长的两对非等位基因位于同一对同源染色体上。即：相引相中，BV连锁在一条染色体上，而bv连锁在另一条染色体，杂种F1一对同源染色体分别具有BV和bv。,完全连锁和不完全连锁,完全连锁 (complete linkage)：如果连锁基因的杂种F1(双杂合体)只产生两种亲本类型的配子，而不产生非亲本类型的配子，就称为完全连锁。例：雄果蝇、雌家蚕不完全连锁 (incomplete linkage)：指连锁基因的杂种F1不仅产生亲本类型的配子，还会产生重组型配子。,完全连锁(complete linkage),A B,a b,不完全连锁(incomplete linkage),C-Sh基因间的连锁与交换,交换与不完全连锁的形成,重组合配子的产生是由于：减数分裂前期 I 同源染色体的非姊妹染色单体间发生了节段互换。(基因论的核心内容)同一染色体上的各个非等位基因在染色体上各有一定的位置，呈线性排列；染色体在间期进行复制后，每条染色体含两条姊妹染色单体，基因也随之复制；同源染色体联会、非姊妹染色单体节段互换，导致基因交换，产生交换型染色单体；发生交换的性母细胞中四种染色单体分配到四个子细胞中，发育成四种配子(两种亲本型、两种重组合型/交换型)。相邻两基因发生断裂与交换的机会与基因间距离有关：基因间距离越大，断裂和交换的机会也越大。,连锁与交换的遗传机理,P,F1（复制）,同源染色体联会（偶线期）,非姐妹染色单体交换（偶线期到双线期）,终变期,四分体,重组型配子的比例,1、尽管在发生交换的孢(性)母细胞所产生的配子中，亲本型和重组型配子各占一半，但是双杂合体所产生的四种配子的比例并不相等，因为并不是所有的孢母细胞都发生两对基因间的交换。2、重组型配子比例是发生交换的孢母细胞比例的一半，并且两种重组型配子的比例相等，两种亲本型配子的比例相等。,重组型配子的比例,重组型配子的比例,三、交换与交换值,（一）交换的细胞学证据,蝾螈的一对同源染色体的电镜图像，可以见到两个交叉，交叉处可以看作是染色单体间交换的地方。减数分裂的晚双线期易于观察到四条染色单体,交叉是交换的结果,双线期 与 早中期（示意图）,中期I 与 后期I （示意图）,（二）交换值的概念,交换值(cross-over value)，也称重组率/重组值，是指重组型配子占总配子的百分率。即：,亲本型配子+重组型配子,用哪些方法可以测定各种配子的数目？,（三）交换值的测定,1、测交法测交后代(Ft)的表现型的种