农学染色体与基因组学

1、本章重点本章重点 染色体核型分析染色体核型分析 染色体形态、结构和数量变异染色体形态、结构和数量变异 基因组及基因组学基因组及基因组学 第一节第一节 染色体染色体 一、染色体分带一、染色体分带 用特殊的染色方法，使染色体产生明显的色带用特殊的染色方法，使染色体产生明显的色带(暗暗 带带)和未染色的明带相间的带型和未染色的明带相间的带型(banding patterns)形成不同的染色体个性，以此作为鉴别形成不同的染色体个性，以此作为鉴别 单个染色体和染色体组的一种手段，这就是染色单个染色体和染色体组的一种手段，这就是染色 体分带技术。体分带技术。 1、染色体分带的主要类型、染色体分带的主要类型

2、 （1）Q带带(Q-banding) 也叫荧光分带法。它是利用氮芥喹吖因荧光染料对染色体也叫荧光分带法。它是利用氮芥喹吖因荧光染料对染色体 染色，在荧光显微镜下染色体显示出明暗不同的带纹，一般染色，在荧光显微镜下染色体显示出明暗不同的带纹，一般 富含富含AT碱基的碱基的DNA区段表现为亮带，富含区段表现为亮带，富含GC碱基的区段表碱基的区段表 现为暗带。现为暗带。 优点优点：分类简便，可显示独特的带型。：分类简便，可显示独特的带型。 缺点缺点：标本易褪色，不能做成永久性标本。：标本易褪色，不能做成永久性标本。 （2）G带带(Giemsa-banding) 将染色体制片，经盐溶液、胰酶或碱处理，

3、再用吉母萨染将染色体制片，经盐溶液、胰酶或碱处理，再用吉母萨染 料（料（Giemsa）染色，染色体的全部长度上显示丰富的带纹，）染色，染色体的全部长度上显示丰富的带纹， 称为称为G带。一般富含带。一般富含AT碱基的碱基的DNA区段表现为暗带。区段表现为暗带。G带方带方 法较简单，带纹较清晰、精细，可制成永久性的标本。法较简单，带纹较清晰、精细，可制成永久性的标本。 （3）C带(C-banding) 染色体标本经一定浓度的酸(HCl)及碱Ba(OH)2变性 处理，再经2xSSC在60中温育1小时，最后用Giemsa染 料染色显带。此法主要显示异染色质，常染色质只能显出 较淡的轮廓。 （4）N带(

4、N-banding) 又称Ag-As染色法。主要用于染核仁组织区的酸性蛋白质。 （5）R-带(Reverse-banding) 染色体用磷酸盐溶液进行高温处理，然后用吖啶橙或吉母 萨染料进行染色，其显示的带型同G-带和Q带明暗相间的 带型正好相反，即Q带、G-带显带的部位，R带不显，反 之，在Q带、G-带显带弱的部位，R带为深染区，故R-带 也叫反带。 （6）T-带(terminal-banding) 对染色体末端区的特殊显带法，能够产生特殊的末端带型。 2、染色体分带的应用、染色体分带的应用 （1）核型分析 例：黑麦草属的6个种，不用分带时，核型完全一样，用分 带分析后不仅发现了彼此的区别。

5、 小黑麦经C带染色证明：在小黑麦的染色体中具末端带 的染色体来自黑麦，无末端带的来自小麦。 （2）亲缘关系的鉴定 例：野生稻和栽培稻，野生大豆和栽培大豆等亲缘关系相近， 他们的主要带纹基本一致。 （3）染色体工程的细胞学鉴定 在染色体工程中，分带技术常用来鉴定染色体的变迁情况。 二、 染色体核型分析 1. 概念 根据染色体的长度、着丝点位置、臂比、随体等 特征，借助染色体分带技术对生物的染色体进行 分析、比较、排序、编号就是染色体核型分析， 也叫染色体组型分析。 不同物种的染色体有各自特定的形态结构， 这种形态特征是相对稳定的。 核型分析是研究物种演化、分类以及染色体 结构、形态与功能关系的重

6、要手段。 2、核型分析的方法 （1）确定染色体数目 每一种生物的染色体数目是恒定的，多数园林植物是二倍 体。通常用2n和n表示，如栽培牡丹2n=10，n=5；野生牡 丹属2n=24，n=12。 （2）确定染色体的形态特征 包括染色体的绝对长度、相对长度、臂比、着丝点指数、 着丝点的位置、随体的有无等。 长臂/短臂1.001.70：中部着丝粒染色体（M，m)； 长臂/短臂1.713.00：近中部着丝粒染色体(sm)； 长臂/短臂3.017.00：近端部着丝粒染色体(st)； 长臂/短臂 7.0：端部着丝粒染色体(t，T)。 （3）染色体分类 将染色体进行分组排队，着丝粒类型相同，相对 长度相近的

7、分一组，同一组的按染色体长短顺序 配对排列，各指数相同的染色体配为一对，可根 据随体的有无进行配对，将染色体按从长到短的 顺序排列排队，短臂向上，并写出核型公式。 如：凤丹白牡丹 2n = 2x =10= 6m+2 sm+2 st； 野牡丹 2n=10m(2SAT)+14sm 凤丹白凤丹白 牡丹核牡丹核 型图型图 （4）核型描述 A、包括基本染色体数、染色体的形状、大小、副 缢痕的数目、位置、随体的数目、形状、大小， 染色体相对长度与绝对长度，以及常染色质和异 染色质的分布与大小等。 B、核型一般分为两类： 一是对称核型，指主要有中部和近中部着丝粒染 色体组成的核型； 另一类是不对称核型，指由

8、大小差异很大、着丝 粒多为端部或近端部染色体组成的核型。 三、染色体的形态变异 1 、A染色体和染色体和B染色体染色体 u一般把真核细胞染色体组中的任何正常染色体，包括常染 色体和性染色体，称为A染色体，把超过正常染色体数目 以外的染色体，称为B染色体。 u B染色体又称副染色体或额外染色体，一般比正常染色体 小，主要由异染色质组成。减数分裂时自身配对无规律， 也不与A染色体配对，表现为非孟德尔遗传。 B染色体对 植物的表型有一定的影响。 2、多线染色体 （1）形态结构 多线染色体是一种巨大染色体，它是由于DNA多次复制后所产生的子染色体 整齐排列、紧密结合在一起而形成的。由于它所在的细胞处于

9、永久间期，不 分裂，因而随着复制的不断进行，核体积不断增加，多线化细胞的体积也相 应增大。 存在于双翅目摇蚊幼虫、果蝇、毛蚊属等的唾腺细胞、昆虫的多种组织如肠、 气管、脂肪体细胞和马尔皮基氏管上皮细胞中、个别反足细胞里。 （2）带及带间带的形成 沿着多线染色体的长轴有一系列深色的带和透亮的间带交替排列，带上的 DNA纤维高度卷曲，DNA含量高，能用碱性染料着色；间带的DNA含量低， 不能用碱性染料着色。研究表明大约85%DNA分布在带上，15%分布在带间。 （3）多线染色体与基因活性 在个体发育的某个时期，多线染色体的某些带纹变得疏松膨大而形成胀泡， 最大的胀泡叫做巴尔比安尼氏环。胀泡是基因转

10、录和翻译的形态学标志。 3 、灯刷染色体 灯刷染色体的轴由染色粒、 轴丝构成，每条染色体轴 长400m，由主轴染色粒 向两侧伸出成对的侧环， 直径约为0.25-2m，一套 灯刷染色体约有10000个 侧环。灯刷染色体是研究 基因表达极为理想的实验 材料。 灯刷染色体结构图解灯刷染色体结构图解 染色体结构变异的因素：染色体结构变异的因素： 自然条件：营养、温度、生理等异常变化；自然条件：营养、温度、生理等异常变化； 人工条件：物理因素、化学药剂的处理。人工条件：物理因素、化学药剂的处理。 v 引起染色体结构变异的原因：引起染色体结构变异的原因： 先断后接假说：先断后接假说： 染色体折断染色体折断

11、重接错误重接错误结构变异结构变异新染色体新染色体 染色体折断是结构变异的前奏染色体折断是结构变异的前奏。 四、染色体结构变异 、缺失（缺失（deficiency）:染色体的某一区段染色体的某一区段 丢失。丢失。 1、缺失的类型、缺失的类型： 顶端缺失：染色体某臂的外端缺失。顶端缺失：染色体某臂的外端缺失。 中间缺失：染色体某臂的内段缺失。中间缺失：染色体某臂的内段缺失。 顶端着丝点染色体：染色体整条臂的丢失。顶端着丝点染色体：染色体整条臂的丢失。 2、缺失的特征：、缺失的特征： （1）缺失杂合体中，联会时形）缺失杂合体中，联会时形 成环状或瘤状突起，但易与成环状或瘤状突起，但易与 重复相混淆。

12、重复相混淆。 参照染色体的正常长度；染参照染色体的正常长度；染 色粒和染色节的正常分布；色粒和染色节的正常分布； 着丝点的正常位置；着丝点的正常位置； （2 2）当顶端缺失较长时，可在双线期检查缺失杂）当顶端缺失较长时，可在双线期检查缺失杂 合体交叉尚未完全端化的二价体，注意非姐妹染色合体交叉尚未完全端化的二价体，注意非姐妹染色 单体的未端是否长短不等。单体的未端是否长短不等。 3、缺失的遗传效应： （1）缺失对个体的生长和发育不利：）缺失对个体的生长和发育不利： v缺失纯合体很难存活；缺失纯合体很难存活； v缺失杂合体的生活力很低；缺失杂合体的生活力很低； v含缺失染色体的配子一般败育；含缺

13、失染色体的配子一般败育； v缺失染色体主要是通过雌配子传递。缺失染色体主要是通过雌配子传递。 例如：猫叫综合症（第例如：猫叫综合症（第5号染色体短臂缺失）：婴号染色体短臂缺失）：婴 儿啼哭如猫叫，一般伴随有小头症和智力迟钝。儿啼哭如猫叫，一般伴随有小头症和智力迟钝。 （2）含缺失染色体的个体遗传反常（）含缺失染色体的个体遗传反常（假显性假显性）: McClintock（1931 ）的玉米）的玉米X射线辐射试验。射线辐射试验。 Parents Gamete F1 plplPLPL pl PL PL 射线射线 pl pl 紫株紫株 372 绿株绿株 2 （二）重复（二）重复（duplication

14、） 概念概念: 染色体多了与自己相同的某一区段。染色体多了与自己相同的某一区段。 1、重复的类型：、重复的类型： u顺接重复顺接重复：指某区段按照染色体上的正常顺序：指某区段按照染色体上的正常顺序 重复。重复。 u反接重复反接重复：指重复时颠倒了某区段在染色体上：指重复时颠倒了某区段在染色体上 的正常直线顺序。的正常直线顺序。 u着丝点所在区段重复着丝点所在区段重复 会形成双着丝点染色体会形成双着丝点染色体 将继续发生结构变异，难以稳定成型。将继续发生结构变异，难以稳定成型。 2染色体重复的特征：染色体重复的特征： 重复区段较长时重复区段较长时： 在杂合体中，重复区段的二价体会突出环或瘤；在杂

15、合体中，重复区段的二价体会突出环或瘤； 不能同缺失杂合体的环或瘤相混淆不能同缺失杂合体的环或瘤相混淆(染色体长度不染色体长度不 同同)。 重复区段很短时重复区段很短时： 可能不会有环或瘤出现。可能不会有环或瘤出现。 果蝇唾腺染色体：体细胞联会，特别大（四个果蝇唾腺染色体：体细胞联会，特别大（四个 二价体的总长达二价体的总长达1000m），其中出现许多横纹），其中出现许多横纹 带，可以作为鉴别缺失和重复的标志。带，可以作为鉴别缺失和重复的标志。 3、重复的遗传效应、重复的遗传效应: （1）扰乱基因的固有平衡体系）扰乱基因的固有平衡体系： 影响比缺失轻，主要是改变原有的进化适应关系。影响比缺失轻，

16、主要是改变原有的进化适应关系。 如果蝇的眼色遗传：红色如果蝇的眼色遗传：红色(V+)对朱红色对朱红色(V)为显性，为显性， 但但V+ V 红色，红色，V+ VV 朱红色朱红色 说明说明2个隐性基因个隐性基因的作用大于的作用大于1个显性等位基因个显性等位基因， 改变了原来一个显性基因与一个隐性基因的关系。改变了原来一个显性基因与一个隐性基因的关系。 （2）重复引起表现型变异）重复引起表现型变异（如果蝇的棒眼遗传）：（如果蝇的棒眼遗传）： 基因的剂量效应基因的剂量效应：细胞内某基因出现次数越多，表：细胞内某基因出现次数越多，表 现型效应越显著。现型效应越显著。 基因的位置效应基因的位置效应：基因的

17、表现型效应因其所在的染：基因的表现型效应因其所在的染 色体不同位置而有一定程度的改变。色体不同位置而有一定程度的改变。 （三）倒位（三）倒位（inversion） 概念：染色体某一区段的概念：染色体某一区段的 正常顺序颠倒了。正常顺序颠倒了。 1、倒位类型：、倒位类型： 臂内倒位臂内倒位：倒位区段发生：倒位区段发生 在染色体的在染色体的 某一臂上。某一臂上。 臂间倒位臂间倒位：倒位区段涉及：倒位区段涉及 染色体的两个染色体的两个 臂，倒位区段臂，倒位区段 内有着丝点。内有着丝点。 2、倒位染色体的特征 很长倒位区段很长倒位区段 倒位区反转过来与正常染色体的同源区段进倒位区反转过来与正常染色体的

18、同源区段进 行联会，倒位区段以外的部分只有保持分离。行联会，倒位区段以外的部分只有保持分离。 较短倒位区段较短倒位区段 倒位杂合体联会的二价体在倒位区段内形成倒位杂合体联会的二价体在倒位区段内形成 “倒位圈倒位圈”。 3、倒位的遗传效应、倒位的遗传效应: 倒位杂合体的部分不育倒位杂合体的部分不育：含交换染色单体的孢子大多：含交换染色单体的孢子大多 数是不育的。数是不育的。 倒位区段内、外各个基因之间的物理距离发生改变，倒位区段内、外各个基因之间的物理距离发生改变， 其遗传距离一般也改变其遗传距离一般也改变。 倒位杂合体上连锁基因的重组率降低。倒位杂合体上连锁基因的重组率降低。 倒位杂合体的大多

19、数含交换染色单体的孢子不育倒位杂合体的大多数含交换染色单体的孢子不育产产 生的交换型配子数明显减少生的交换型配子数明显减少倒位杂合体的连锁基因倒位杂合体的连锁基因 重组率显著下降重组率显著下降 倒位可以形成新种，促进生物进化倒位可以形成新种，促进生物进化。 倒位会改变基因间相邻关系倒位会改变基因间相邻关系造成遗传性状变异造成遗传性状变异种种 与种之间的差异常由多次倒位所形成。与种之间的差异常由多次倒位所形成。 （四）易位（Translocation） 概念：染色体概念：染色体 一个区段移一个区段移 接在非同源接在非同源 的另一个染的另一个染 色体上。色体上。 1、易位的类型：、易位的类型： a

20、 b c d e f w x y z a b c d w x y z e f a b c d w x y e f z a b c d z w x y e f 简单易位简单易位：某一染色：某一染色 体的一个臂端区段接体的一个臂端区段接 在非同源染色体的一在非同源染色体的一 个个臂端臂端上上 嵌入易位嵌入易位：指某一染：指某一染 色色 体的一个臂内区段嵌体的一个臂内区段嵌 入入 非同源染色体的一个非同源染色体的一个 臂臂 内内 相互易位相互易位：两个非：两个非 同源染色体同源染色体同时同时折折 断后彼此交换后重断后彼此交换后重 新接合新接合 2、 易 位 染 色 体 的 特 征 偶线期和粗线期偶线

21、期和粗线期 易位杂合体联会成易位杂合体联会成 “十十”字形字形 终变期：终变期： 联会就会因交叉端化联会就会因交叉端化 而变为由四个染色体而变为由四个染色体 构成的构成的“四体链四体链”或或 “四体环四体环 中期中期 终变期的环终变期的环 可能变为可能变为“8” 字形或环形字形或环形 玉米（玉米（2n=20） 终变期染色体：终变期染色体： 三对染色体 相互易位： 产生6体环体环 3、易位的遗传效应： （1）半不育是易位杂）半不育是易位杂 合体的突出特点：合体的突出特点： 相邻式分离相邻式分离：产：产 生重复、缺失染色体，生重复、缺失染色体， 配子不育；配子不育； 交替式分离交替式分离：染：染

22、色体具有全部基因，色体具有全部基因， 配子可育。配子可育。 交替式和两种相邻交替式和两种相邻 式分离的机会大致相式分离的机会大致相 等，即花粉和胚囊均等，即花粉和胚囊均 有有50%是败育的，结是败育的，结 实率实率50%。 （2）降低邻近易位接合点基因间重组率）降低邻近易位接合点基因间重组率 玉米：玉米：T5-9a是第是第5染色染色 体长臂的体长臂的 外侧一小段染外侧一小段染 色体和第色体和第9色体短臂包括色体短臂包括 Wx在内的一大段染色体在内的一大段染色体 的易位。的易位。 在第在第9染色体中：染色体中： 连锁基因连锁基因正常重组率正常重组率(%)易位杂合体重组率易位杂合体重组率 (%)

23、yg2-sh2311 sh-wx205 （3）易位可以改变基因连锁群：）易位可以改变基因连锁群： 植物在进化过程中不断发生易位可以形成许多变种。植物在进化过程中不断发生易位可以形成许多变种。 例如：直果曼陀罗（例如：直果曼陀罗（n=12）许多变系就是不同染色体的）许多变系就是不同染色体的 易位纯合体。易位纯合体。 任选一个直果曼陀罗变系当作任选一个直果曼陀罗变系当作“原型一系原型一系”，把，把12对染对染 色体两臂分别标以数字即色体两臂分别标以数字即1 2、3 4、23 24。 以“原型原型1系系”为标准与其它变系比较，结果发现：为标准与其它变系比较，结果发现： “原型原型2系系” 1 18

24、和和2 17 的易位纯合体；的易位纯合体； “原型原型3系系” 11 21 和和12 22 的易位纯合体；的易位纯合体； “原型原型4系系” 3 21 和和4 22 的易位纯合体。的易位纯合体。 易位融合造成染色体数目减少（女46 55） 经着丝点蛋白经着丝点蛋白 接合荧光显色接合荧光显色 9号染色体着丝点号染色体着丝点 附着于附着于 第第11号染色体上号染色体上 19世纪末，狄世纪末，狄 费里斯发现：费里斯发现： 普通月见草普通月见草（2n = 14） 特特 别大的变异型（别大的变异型（1901年命名为年命名为巨巨 型月见草型月见草）。）。 1907年，细胞学研究表明巨年，细胞学研究表明巨

25、型月见草是型月见草是2n = 28 染色体数染色体数 目变异目变异可以导致遗传性状的变异。可以导致遗传性状的变异。 变异特点变异特点是按一个基本的染是按一个基本的染 色体数目（基数）成倍地增加或色体数目（基数）成倍地增加或 减少。减少。 五、染色体的数目变异 染色体组及其整倍性： 1染色体组（基因组）：染色体组（基因组）： 维持生物体生命活动所需的维持生物体生命活动所需的最低限度最低限度的一套基本染色体，的一套基本染色体， 以以X 表示。表示。 一粒小麦、野生一粒小麦：一粒小麦、野生一粒小麦：2n=2X=27=14，即二倍，即二倍 体体 二粒小麦、野生二粒小麦、硬粒小麦、圆锥小麦、二粒小麦、野

26、生二粒小麦、硬粒小麦、圆锥小麦、 提莫菲维小麦：提莫菲维小麦：2n=4X=47=28，即四倍体，即四倍体 普通小麦、斯卑尔脱小麦：普通小麦、斯卑尔脱小麦：2n=6X=67=42，六倍体，六倍体 整倍体整倍体：合子染色体数以基数染色体整倍增加的个体。：合子染色体数以基数染色体整倍增加的个体。 多倍体多倍体：三倍或三倍以上的整倍体。：三倍或三倍以上的整倍体。 （二）染色体数目的整倍性变异 1、同源多倍体同源多倍体：指增加的染色体组来自同一物种，一：指增加的染色体组来自同一物种，一 般是由二倍体的染色体直接加倍产生的。般是由二倍体的染色体直接加倍产生的。 同源四倍体同源四倍体： AAAAAA 2n4

27、X4AAAAA123 BBBBBB 2n4X4BBBBB123 EE EEEE 2n4X4EEEEE123 同源三倍体：同源三倍体： AAAAAAAAA2n3X3AAAA93 BBBBBBBBB2n3X3BBBB93 EEEEEEEEE2n3X3EEEE93 牡丹二倍体牡丹二倍体 2n=2X=10 牡丹三倍体 2n=3X=15 5m 多倍体染色体组的组合多倍体染色体组的组合 2、异源多倍体、异源多倍体：增加的染色体组来自不同物种，增加的染色体组来自不同物种， 一般是由不同种属间的杂交种染色体加倍形成。一般是由不同种属间的杂交种染色体加倍形成。 异源多倍体是物种进化的一个重要因素异源多倍体是物种

28、进化的一个重要因素： 中欧植物中欧植物中，中，652个属，有个属，有419个属是异源多倍体；个属是异源多倍体； 被子植物纲内被子植物纲内，占，占3035%，主要分布在蓼科、景天科、，主要分布在蓼科、景天科、 蔷薇科、锦葵科、禾本科等；蔷薇科、锦葵科、禾本科等； 禾本禾本科中约占科中约占70%，如栽培的小麦、燕麦、甘蔗；，如栽培的小麦、燕麦、甘蔗； 果树果树中有苹果、梨、樱桃等；中有苹果、梨、樱桃等； 花卉花卉中有菊花、大理菊、水仙、郁金香等。中有菊花、大理菊、水仙、郁金香等。 异源多倍体自然繁殖的都是偶倍数，由远缘杂交形成异源多倍体自然繁殖的都是偶倍数，由远缘杂交形成 例：拟茸毛烟草例：拟茸毛

29、烟草美花烟草美花烟草 2n=2X=TT=24=122n=2X=SS=24=12 F1 2n=2X=TS=24=12+12 加倍加倍 普通烟草（双二倍体）普通烟草（双二倍体） 2n=4X=TTSS=48=12+12 偶倍数异源多倍体在减数分裂时能象二倍体一偶倍数异源多倍体在减数分裂时能象二倍体一 样联会成二价体，故异源多倍体可表现出与二倍样联会成二价体，故异源多倍体可表现出与二倍 体相同的性状遗传规律。体相同的性状遗传规律。 双二倍体：特指异源四倍体。双二倍体：特指异源四倍体。 如如2n=4X=TTSS=48=24的异源四倍体普通烟草。的异源四倍体普通烟草。 （3）奇倍数异源多倍体由偶倍数多倍体

30、杂交产生：）奇倍数异源多倍体由偶倍数多倍体杂交产生： 例例1： 普通小麦普通小麦 圆锥小麦圆锥小麦 2n=6X=AABBDD=42=212n=4X=AABB=28=14 n=3X=ABDn=2X=AB F1 异源五倍体异源五倍体 2n=5X=AABBD=35=14 7 结实率较高，存在异源联会。结实率较高，存在异源联会。 又称又称倍半二倍体，倍半二倍体，可以作为进行染色体替换的手段。可以作为进行染色体替换的手段。 例例2：普通小麦提莫菲维小麦：普通小麦提莫菲维小麦 2n=6X=AABBDD=42=212n=4X=AAGG=28=14 n=3X=ABDn=2X=AG F1异源五倍体异源五倍体2n

31、=5X=AABDG=35=7 21 结实率很低，单价体多，需要异源联会量太大结实率很低，单价体多，需要异源联会量太大。 （4）自然界的物）自然界的物 种难以以奇倍数种难以以奇倍数 的异源多倍体存的异源多倍体存 在，只能依靠无在，只能依靠无 性繁殖的方法加性繁殖的方法加 以保存。以保存。 单价体多单价体多 分离紊乱分离紊乱 配子染色体不平衡配子染色体不平衡 不育或部分不育不育或部分不育 非整倍体非整倍体：比该物种中正常合子染色体数：比该物种中正常合子染色体数(2n)多或少一个多或少一个 至几个染色体的个体。至几个染色体的个体。 超倍体超倍体：染色体数：染色体数 2n，多倍体、二倍体中均能发生。，

32、多倍体、二倍体中均能发生。 亚倍体亚倍体：染色体数：染色体数 2n，通常在多倍体中发生。，通常在多倍体中发生。 遗传学上有代表性的非整倍体只有以下几种遗传学上有代表性的非整倍体只有以下几种： 三体三体2n+1a1a1a2a2a3a3a37=(n-1) + 双三体双三体2n+1+1a1a1a2a2a2a3a3a38(n-2) + 2 四体四体2n+2a1a1a2a2a3a3a3a38(n-1) + 单体单体2n-1a1a1a2a2a35(n-1) + 双单体双单体2n-1-1a1a1a2a34(n-2) + 2 缺体缺体2n-2a1a1a2a24(n-1) （二）染色体的非整倍性变异（二）染色体

33、的非整倍性变异 曼曼 陀陀 罗罗 12 种种 三三 体体 的的 不不 同同 果果 形形 水稻三体： 不同的三体表现 不同的籽粒外形。 水稻端三体粗线期水稻端三体粗线期 人类的人类的21三体：三体： 唐氏综合症：唐氏综合症： 较敏感和快乐，皮较敏感和快乐，皮 肤折痕。肤折痕。 第二节 基因组学 一、基因组及基因组学 1、基因组的概念 基因组（genome）：指生物所携带的 遗传物质的总和，或指真核生物的染色体 组。 2、基因组的C值 基因组大小称为C值，是指生物体的单倍体 基因组所含的DNA总量，以碱基对数为单 位。 物种不同，C值不同，从原核生物到真核生 物，进化程度越高，C值越大。但C值和它

34、 进化复杂性之间并没有严格的对应关系， 这种现象称为C值悖理(C value paradox)。 不同生物类群不同生物类群C值变化范围值变化范围 3、基因组的结构 （1）基因在基因组中的组织形式： 单一序列：基因组中大多数的基因，在基 因组中只有一份的DNA序列。例如，大多 数的结构基因因，但并非所有的单一序列 都是结构基因。 基因家族：指真核生物基因组中，来源相 同、结构相似、功能相关的一组基因。同 一家族中的成员可以紧密的排列在一起， 成为一个基因簇；也可能分散在同一染色 体的不同部位，甚至不同染色体上。 串联重复基因：串联重复基因DNA序列相 同或相似的许多基因串联形成基因簇。常 见的串

35、联重复基因有：组蛋白基因，rRNA 基因以及tRNA基因等。 （2）基因外序列在基因组中的组织形式 所谓基因外序列是指基因转录单位和基因相关序列以外的 DNA序列，根据DNA序列在基因组中出现的拷贝数。 单一序列：主要指在整个基因组中只出现一个拷贝的序列， 有时出现2-3个拷贝的也归为此类。 重复序列：真核生物染色体基因组中重复出现的核苷酸序 列，根据重复的次数可以分为高度重复序列和中度重复序 列，前者指重复几百万次，一般是少于10个核苷酸残基组 成的短片段,如SSR。后者指重复次数为几十次到几千次。 根据在基因组中的分布分为串联重复序列、弥散重复序列。 4、基因组学的诞生 （1）基因组学一词

36、是美国H Roderick于1986 年提出来的，是指研究生物基因组的组成、 各基因的精确结构、相互关系及表达调控 的科学。 （2）基因组学分为： 结构基因组学(structural genomics)：指研 究基因和基因组的结构、基因组作图和基 因定位。 功能基因组学(functional genomics)：着重 研究不同序列结构的功能、基因的相互作 用、基因表达及其调控等。 二、DNA测序 1、Sanger法 （双脱氧链 终止法） 2、化学降 解法 三、基因组测序 1、鸟枪法测序 2、作图 法测序 3、序列片段拼接 DNA序列组装的主要软件由美国华盛顿大 学PhilGreen实验室开发的

37、Phred-Phrap- Consed系统，Phred(测序器)是一种碱基识 别系统(base-caller)，它根据自动测序仪信 号按顺序识别碱基，估计测序错误率等。 Phrap(组装器)是根据Phred的结果从头组装 由鸟枪法产生的不同的短序列，Consed(校 对器)与Phrep组成一个有机整体，利用 Phrap组装的序列由Consed编辑、整合人工 校对结果等. 四、基因组注释 1、基因组注释(Genome annotation)：是利用 生物信息学方法和工具对基因组所有基因 的生物学功能进行注释，包括基因的识别 和基因的功能注释。 2、对预测出的基因进行功能注释的方法是利 用已知功能

38、基因的注释信息为新基因注释： (1)序列数据库相似性搜索； (2)序列模体(Motif)搜索； (3)直系同源序列聚类分析。 五、基因组作图 基因组作图的方法可分为遗传作图（genetic mapping）和物理作图（physical mapping）。 （1） 遗传作图 采用遗传学方法将基因或者DNA分子标 记标定在染色体上构建连锁图谱，它是以 多态性的遗传标记为基础，根据减数分裂 过程中遗传标记之间的重组值来确定两个 遗传标记在染色体上的相对位置。 （2） 物理作图 物理作图是应用分子生物学技术直接将 DNA分子标记、基因、克隆定位于基因组 上，以实际碱基对长度（物理距离）来表 示遗传标记

39、或基因在染色体上的位置，所 构建的图谱叫物理图谱。 六、比较基因组学 比较基因组学（comparative genomics）是 在基因组图谱和测序的基础上，对已知的 基因和基因组结构进行比较，了解基因的 功能、表达调控机制和物种进化过程的学 科。 通过不同亲缘关系物种的基因组序列进行 比较，能够鉴定出编码序列、非编码序列、 调控序列以及物种独有的序列。对基因组 范围之内进行序列比对，可以了解不同物 在核苷酸组成、同线性关系和基因顺序方 面的异同，进而获得基因预测与定位、生 物系统进化等信息。 七、功能基因组学 功能基因组学（functuional genomics）也 叫后基因组学（post

40、genomics），它是利用 结构基因组所提供的信息，在基因组或系 统水平上全面分析基因功能的科学。包括 基因的识别和鉴定、基因功能发现、基因 表达分析、突变检测等。 功能基因组学研究采用的手段包括经典的 减法杂交，差示筛选，cDNA代表差异分析、 mRNA差异显示、基因表达的系统分析 （SAGE）、cDNA微阵列（cDNA microarray）、DNA 芯片（DNA chip）、 序列标志片段显示（sequence tagged fragments display）、基因打靶、反义RNA、 RNAi技术等。 第三节 蛋白质组学 一、蛋白质的结构一、蛋白质的结构 概念：是指蛋白质分子的空间结

41、构，作为一 类重要的生物大分子，蛋白质主要由碳、 氢、氧、氮、硫等化学元素组成。 1、蛋白质一级结构（primary structure） 指蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序， 它是各种氨基酸通过肽键连接起来成为的 多肽链，是蛋白质最基本的结构，蛋白质 的特殊生物学活性首先取决于蛋白质的一 级结构。 2、蛋白质二级结构（secondary structure） 指肽链中的主链进行有规则的卷曲折叠， 形成周期性结构的构象。二级结构是通过 骨架上的羰基和酰胺基团之间形成的氢键 维持的，氢键是稳定二级结构的主要作用 力。 （1）-螺旋螺旋 (-helix) （2）-折叠(-sheet) 3、蛋白质

42、三级结构 一条多肽链在二级结构或者超二级结构甚 至结构域的基础上，进一步盘绕，折叠， 依靠共价键的维系固定所形成的特定空间 结构，称为蛋白质的三级结构（tertiary structure）。蛋白质三级结构的形成和稳 定主要依靠氢键、疏水键、盐键、范德华 力、二硫键等，其中疏水键是维系三级结 构的主要力量。 4、蛋白质四级结构 具有两条或两条以上独立三级结构的多肽 链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键 相互组合而形成的空间结构称为蛋白质的 四级结构（quarternary structure）。其中， 每个具有独立三级结构的多肽链单位称为 亚基（subunit）。亚基之间不含共价键， 亚基间次

43、级键的结合疏松，在一定的条件 下，四级结构的蛋白质可分离为其组成的 亚基，而亚基本身构象仍可不变。 蛋白蛋白 质的质的 各级各级 结构结构 二、蛋白质组学的诞生 蛋白质组学(proteomics)最早是由Marc Wilkins 于1995年提 出来的，指从整体的角度分析细胞内动态变化的蛋白质的组 成、表达水平、修饰状态、蛋白质之间的相互作用，揭示蛋 白质功能与细胞生命活动规律的科学。 1996年，澳大利亚建立了世界上第一个蛋白质组研究中 心Australia Proteome Analysis Facility (APAF)，之后丹 麦、加拿大、日本也先后成立了蛋白质组研究中心。 2001年

44、4月，在美国成立了国际人类蛋白质组研究组织 （HUPO）。目前，众多蛋白质组数据库已经建立，如NRDB 和dbEST，NRDB由SWISS2PROT和GENPETP等几个数据库 组成，dbEST是由美国国家生物技术信息中心（NCBI）和欧 洲生物信息学研究所(EBI)共同编辑的核酸数据库。 蛋白质组学的研究是一项系统性的科学研究，包括蛋白质结 构、蛋白质分布、蛋白质功能、蛋白质的丰度变化、蛋白质 修饰、蛋白质与蛋白质的相互作用等。 3、蛋白质组学的研究方法 （1）双向凝胶电泳 v目前最经典、最成熟、最常用的蛋白质分离技术。 v双向凝胶电泳是在相互垂直的两个方向进行两次电泳， 第一向基于蛋白质的

45、等电点不同用等电聚焦分离(IEF)， 第二向按分子量的不同用SDS-PAGE分离(SDS-PAGE)， 经过两次电泳后把复杂蛋白混合物中的蛋白质在二维 平面上分开。 v优点:分辨率高、对仪器设备要求较低、分离得到的蛋 白质组分纯度高,是蛋白质组学研究中的核心技术，可 用于蛋白质转录及转录后修饰、蛋白质组的比较、蛋 白质间的相互作用、细胞分化凋亡、蛋白纯度检查和 小量蛋白纯化等多方面的研究. （2） 高效液相色谱(HPLC) HPLC是利用高压输液泵驱使含有样品的流 动相通过色谱柱，利用固-液相间的分配机 理对样品进行分离的技术，能分离分子大 小差异较大的蛋白、低丰度蛋白及疏水性 蛋白，是一种非

46、常理想的蛋白质分离技术。 HPLC具有高效、分离效率高、灵敏度高、 应用范围广、分析速度快、便于自动化等 特点。 (3)同位素标记亲和标签技术 同位素亲和标签(ICAT)是Gygi等1999年开 发的一种能同时对蛋白质组进行鉴定和相 对定量的方法，是蛋白质组研究的核心技 术之一。它利用一种新的化学试剂一同位 素亲和标签试剂（ICAT）预先选择性地标 记某一类蛋白质，然后分离纯化、进行质 谱鉴定，并根据质谱图上不同ICAT试剂标 记的一对肽段离子的强度比例，定量分析 它的母体蛋白质在原来细胞中的相对丰度。 ICAT能够快速定性和定量鉴定低丰度蛋白 质，尤其是膜蛋白等疏水性蛋白，还可以 快速寻找重

47、要功能蛋白质。 (4)生物质谱 1918年和1919年，Dempster和Aston分别 独立研制出质谱仪，1958年质谱仪开始被 应用于氨基酸和肽段分析。生物质谱技术 是蛋白质组研究中最重要的鉴定技术，基 本原理是样品分子离子化后，根据不同离 子之间的荷质比（M/E）的差异来分离并确 定分子量。经过双向电泳分离的目标蛋白 质，用胰蛋白酶酶解（水解Lys或Arg的-C端 形成的肽键）成肽段后可用质谱进行鉴定 与分析。 生物质谱是连接蛋白质与基因的重要技术， 具有灵敏、准确、自动化、高通量等特点。 目前常用的质谱有飞行时间质谱（MALDI- TOF-MS）和电喷雾质谱（ESI- MS）。 （3）C带(C-banding) 染色体标本经一定浓度的酸(HCl)及碱Ba(OH)2变性 处理，再