同序杂交染色体和异序杂交染色体

1、同序杂交染色体和异序杂交染色体“段杂交”（在10月份改称为“段体杂交”）。上述学术观点在几个月后经全基因组染色体原位杂交的分析比较，进一步得到确证。在此基础上，为了规范该发明技术及其产品的命名，在2004年10月份提出了“段体杂交”一系列学术名称规范化的讨论。通过段体杂交技术，人类可以获得不同於受体染色体组的新型的杂交染色体组。通过对编号为209-1和216161的中华黍（豌豆玉米）的全基因组染色体原位杂交分析（照片1），可以看到216161中华黍的10对杂交染色体，有6对杂交染色体出现了明显的红色区域即异源的豌豆染色体片段，这6对中，有2对(第5和第8)杂交染色体，仅仅单条染色体上有红色区域

2、即异源的豌豆染色体片段；而另4对( 第1，第4，第6和第9)杂交染色体，每对杂交染色体的两条染色体上均出现红色区域即异源的豌豆染色体片段，它们均有相互平衡趋向结构稳定的现象 。另外4对（第2，第3，第7和第10）虽然没有显示出红色区域即没有显示出异源的豌豆染色体片段，但是根据对它的姐妹另一株中华黍（216173）核型分析的数据（照片2），观察到：第2对，着丝粒指数，玉米是43.85，中华黍是44.32；第3对，染色体类型，玉米是sm，中华黍是m；第7对，着丝粒指数，玉米是41.36,中华黍是44.78;第10对，染色体类型，玉米是m，中华黍是sm。216161和216173都是编号为216的豌

3、豆玉米的第3代，它们的上一代都是2161，虽然第3代还在发生分离，但是上述核型分析的数据还是具有参考价值，显而易见，豌豆玉米杂交植株的染色体结构普遍地不同于玉米染色体的结构。可以讲本公司凡是对任何编号的中华黍染色体核型分析，均观察到染色体组核型和染色体数据发生明显变化，每一对染色体均是如此。因此本人推测杂交染色体的供体染色体片段有两种类型：一种是构成染色体片段的染色质线具有与受体细胞染色体相同的DNA序列但具有不同组蛋白构建的八聚体，称为同序染色体片段。这样的染色体片段和受体细胞的染色体发生段体杂交形成的杂交染色体称为同序杂交染色体，例如中华黍216161的4对杂交染色体（第2，第3，第7和第

4、10对），在全基因组原位杂交实验里，它们虽然没有显示出异源的染色体片段，但是分析它们的染色体结构，观察到发生较大的变化.与受体细胞染色体的结构相比较,这些外源的染色体片段从种属关系上讲是异源的且构成核小体的组蛋白八聚体是与受体细胞染色体不同的，但是从DNA的序列上讲是同源的，它们与受体细胞染色体发生段体杂交从而形成同序杂交染色体。这些外源染色体片段来自不同的种属, 虽然具有相同的DNA序列,但是它们的核小体与受体细胞染色体的核小体是不同的。众所周知，核小体就是被DNA分子围捆了的八聚体，而八聚体是由H2A、H2B、H3和H4四种组蛋白各以两个分子聚合而成的。染色质线是一条分子水平的直线结构，宛

5、如平放的“珍珠项链”，在这条“珍珠项链”中“珍珠”就是由组蛋白构成的八聚体，而串连“珍珠”的索链就是DNA分子。换而言之，相对于受体细胞染色体的染色质线，这些来自不同种属的由同源DNA序列“索链”串成的染色质线，其“珍珠”是不同的，因此这些染色体片段和受体细胞染色体发生“段体杂交”而形成的同序杂交染色体与原来的受体染色体相比较，当然产生较大差别，以致改变受体细胞的染色体原来的结构，否则，无法解释为什么在本实验中，段体杂交后受体细胞内每对染色体的每条染色体的结构及其基本数据均发生明显的变化？另一种是构成供体染色体片段的染色质线除了具有不同组蛋白构建的八聚体外，还具有与受体细胞染色体不同的DNA序

6、列，称为异序染色体片段。这样的染色体片段和受体细胞的染色体发生段体杂交形成的杂交染色体称为异序杂交染色体，例如中华黍216161的6对杂交染色体（第1，第4，第5，第6，第8和第9对）。本文提供的豌豆玉米原位杂交照片（照片1），具有红色区域的染色体就是异序杂交染色体，红色区域代表豌豆的异序染色体片段；没有显示红色区域的杂交染色体，就是同序杂交染色体。段体杂交后，由于供体的核小体和核小体链的不同，形成不同的螺线管，又形成不同的圆筒状超螺旋管，最后形成不同超螺旋管再次折叠和螺旋化的染色体四级结构。当然, 异序杂交染色体也同存同序杂交染色质.也就是说,所谓异序杂交染色体就是同序杂交染色体上出现了外源

7、异序染色体片段。在植物界来说，豌豆与玉米的亲缘关系很远，但从DNA的结构和顺序来说，豌豆与玉米的差异不是很大。因此，和受体玉米比较，供体豌豆的异序染色体片段不多。我们继续用“珍珠项链”来比喻的话，豌豆“珍珠项链”与玉米“珍珠项链”从“珍珠”（由组蛋白构成的八聚体）和由这些“珍珠”组成的核小体及其四级结构染色体来观察，无论是数目和大小，差别很大，而串连这些“珍珠”的“索链”（DNA分子），差异就不大，有很多是一样的。这就不难理解，豌豆和玉米段体杂交形成的杂交染色体在全基因组原位杂交实验中，在2091和216161的照片上出现的红色区段数目分别是20多条和10多条。不管是同序杂交染色体还是异序杂交

8、染色体，绝大多数杂交染色体的区域分布着的是来自供体（豌豆）的同序染色体片段。每个物种，在自然条件下，染色体组的染色体数目和大小均是相对稳定的。在本人进行的这些实验中，段体杂交不仅仅发生在一条或两条受体细胞染色体上，而是发生在整个受体细胞的所有染色体上。至于产生多少同序杂交染色体和多少异序杂交染色体，以及这些杂交染色体是如何配对组合的？是什么机理调控的？这些规律尚待进一步探索。本文的实验材料是编号为209的第2代和编号为216的第3代种籽萌根后的根尖细胞，这说明杂交染色体具有传代的能力。不管是同序杂交染色体，还是异序杂交染色体，出于生物的本能，均有平衡、稳定和传代的趋向。杂交染色体组虽然会发生分

9、离，通过分离进一步稳定传代，但是总的来说显然比单个的外源基因在受体细胞里稳定得多。我们的经验是，豌豆染色体片段和受体玉米细胞染色体发生段体杂交后得到的子代，虽然在第3代，第4代甚至第5代会发生性状分离，但是豌豆相关性状的表达越来越趋向稳定，从而形成稳定的具有豌豆玉米杂交染色体组的新型粮食，这一点对遗传育种和人工构建新型的粮食作物是很有意义的。当供体植物和受体植物发生段体杂交后，由于会产生许多不同组合的同序杂交染色体和异序杂交染色体，因此当我们获得段体杂交子代（简称SH F2）后，SH F3就会发生明显的性状分离，到SH F4虽然也发生性状分离（照片3&4）,但是稳定的趋向同时也很明显，

10、到SH F5时性状分离就不明显而性状稳定就更明显。并且,在豌豆（供体）和玉米（受体）的段体杂交组合中，当供体和受体段体杂交后得到的子代植物及其种子往往有以下现象发生：获得的段体杂交植物不同程度地表达供体的性状特征有时候还是非常强烈的；这些段体杂交植物结种子的状况大多情况下很不正常，有时候一株段体杂交植物只结几粒种子甚至12粒种子，这些种子的绝大多数都能萌芽长出第2代（SH F2）植株，它们的绝大多数也能结种子，而且所结种子的数量也比它的上代增多，但是有许多第2代（SH F2）结种子的状况还是相当不正常的。第3代（SH F3）植株结种子的状况出现明显正常化的趋势，另外，与其它同代姐妹植株的性状表

11、达和所结种子的状况进行比较，明显感到性状的分离和性状稳定的趋势。这些就是段体杂交植物在子代性状分离和稳定上具有的明显特征。生物的性状是由基因决定的，而染色体是基因的载体。染色体数目和结构的改变，将会导致生物性状的变异。因此，对染色体而言，不单单是基因本身，基因的不同排列，不同的八聚体与不同的基因DNA序列组成不同的核小体而形成不同的染色体结构，都会影响生物个体发育，生殖，遗传及性状表达。段体杂交就是将外源的异源的染色体片段和受体细胞的染色体发生杂交从而形成新型的杂交染色体，换而言之，只要是外源的异源的染色体片段而不管该片段来自何种生物，也就是说段体杂交没有任何生物种属局限性。显然，这是在人为的

12、作用下，发生在植物界的无性的（不通过有性途径）自由的（无任何种属局限性）杂交方式。从这个观点看豌豆（双子叶纲豆科植物）和玉米（单子叶纲禾本科植物）能够进行段体杂交从而获得能表达相关豌豆性状的豌豆玉米（又称中华黍，豆玉米）是天经地义的。并且，因为是外源的异源的染色体片段（例如豌豆染色体片段）与玉米染色体发生段体杂交，染色体数目往往不变，仍然是2N=20;而产生的同序杂交染色体和异序杂交染色体均有平衡配对趋向结构稳定的特征，因此得到的子代绝大多数都能进行传代. 当然也发生性状分离,这是因为形成的杂交染色体结构,不管是同序杂交染色体,还是异序杂交染色体不完全平衡配对,例如216161中华黍（豌豆玉米

13、）的2对(第5和第8)杂交染色体，仅仅单条染色体上有异源的豌豆染色体片段 ,这就是说结构很难平衡,从而造成不稳定,容易发生性状分离。分析这些实验结果，不难理解段体杂交后获得的豌豆玉米杂交植物为什么能表达许多豌豆性状？为什么这样的豌豆玉米杂交植物大多数情况下能结种籽？为什么转基因植物在传代过程中容易丢失外源基因而像豌豆玉米这样的段体杂交植物却能够在性状分离过程中逐步趋向稳定，并形成稳定的具有杂交染色体的新型粮食作物？上世纪三十年代，杰出的美国遗传学家摩尔根提出的染色体交换学说和基因连锁遗传规律等遗传学经典理论对认识“段体杂交”及其“杂交染色体”具有重要的启示作用。基因工程自从上个世纪七十年代兴起

14、以后，已经极大地影响生命科学三十多年。基因工程对人类改造生物产生了巨大的作用，但是基因工程对高等植物的改造特别是对那些由多基因或多基因组调控的性状的改造，困难重重。而高等植物的许多经济性状恰恰是由多基因（组）调控的。在这样的情况下，只有摩尔根提出的基因连锁遗传规律和染色体交换学说，才是解决这一困难的有用的思想武器。基因工程的操作就是首先分离相关基因，然后利用这个基因和载体构建成目标基因，最后把目标基因转入受体细胞，通过组培这种受体细胞，获得转基因植物。而摩尔根的连锁遗传规律强调同一染色体上紧密靠近的基因总是相互联系在一起遗传，不进行独立分配；另外,摩尔根的交换学说指出，在减数分裂同源染色体间相

15、互配对时，配对染色体的部分片段偶尔会发生互换，其过程称为交换。如果我们的思维沿着摩尔根的理论向前发展，就有可能解决基因工程无法改变多基因和多基因组调控的性状的难题。二十多年过去了，本人在探索植物段体杂交的过程中越来越认识到摩尔根的遗传学理论和谈家桢教授在中国坚持推广和普及摩尔根的学说是何等重要。 我们的祖国正在和平崛起！中华民族正在和平复兴！中国的经济发展和体育成就让全人类全世界刮目相看。难道我们中国人在自然科学和生命科学的基本规律研究领域中，一直无法出现重大成果吗？流淌着华夏炎黄血液的中国科学家有责任让中国在自然科学的基础领域中和平崛起。*摩尔根在中国的弟子谈家桢教授是复旦大学的副校长。1986年，本人在复旦大学发明植物外源遗传物质动态导入法及其大蒜青菜杂交植株的过程中，碰到一些困难，谈校长知道后，竟不顾高龄独自走到三楼步入我的实验室予以鼓励表示支持。本人在此对谈校长表示深深的谢意与敬意！参考文献： 1、朱培坤，天然染