核外遗传学改课件

第十二章核外遗传2母性影响的概念及遗传的特点*3细胞质遗传的概念及遗传的特点*4草履虫放毒型遗传与核质5线粒体遗传及分子基础6叶绿体遗传及分子基础5核质互作雄性不育与杂种优势的利用学习要点：1名词概念：母性影响；核外遗传；粒；随意内含子；雄性不育系；雄性不育保持系；雄性不育恢复系20C初(法)植物学家C.Correns紫茉莉黄绿色叶（母）×绿色叶（父）黄绿色叶绿色叶（母）×黄绿色叶（父）

绿色叶其他高等植物类似的核外遗传现象核外遗传：染色体以外的遗传因子所决定的遗传现象，在真核生物中称为核外遗传或细胞质遗传。1909，CarlCorrans，非孟德尔遗传发现者，洗澡花（紫茉莉）花斑枝条

20世纪40年代：粗糙脉胞菌、酵母和一些原生生物如草履虫、衣藻中发现核外遗传现象，推侧细胞质中可能存在遗传物质。

有关线粒体、叶绿体基因组及其基因结构的研究：某些性状(抗病性、抗药性等)的遗传是通过细胞质进行的；细胞质与细胞核有着相互依存的关系，有些性状的遗传，需要核基因与细胞质因子同时存在；为自然界生物的进化机制提供了线索。1963-1964年在线粒体和叶绿体中存在DNA，直接证据。核外遗传主要特点是：

①正反交的结果不同。核外基因通常显示逐代出现单亲遗传（uniparentalinheritance）的现象，即所有的后代不论雌雄都只表现一个亲本的某一表型（此和性连锁是不同的）。②不出现孟德尔式分离比；③母本的表型决定了所有F1代的表型；④遗传信息在细胞器DNA上，不受核移植的影响；⑤不能进行重组作图；第一节母性影响一、短暂的母性影响1.麦粉蛾肤色的遗传野生型A产生犬尿素突变型a不产生犬尿素1）母本核基因产物存在于卵的细胞质中；2）受精时，精卵细胞提供的细胞质的量是不一样的，受精卵的细胞质几乎全由母方提供；3）当细胞质中的犬尿素用完后，即表现自身基因型性状。二、持久的母性影响在锥实螺（Limnaeaperegra）的遗传研究中，曾观察到持久性母性影响的现象。椎实螺是一种雌雄同体的软体动物，一般通过异体受精进行繁殖（两个个体相互交换精子，各自产生卵子）。但若单个饲养，它能进行自体受精。椎实螺外壳的旋转方向有左旋和右旋之分，它们是一对相对性状，右旋（dextrol，D）对左旋（d）是显性。如果把具有这一对相对性状的纯合子椎实螺进行正反交，F1代外壳的旋转方向总是与各自的母本相似，但其F2却都表现右旋。到第三代才出现左、右旋的分离，且符合孟德尔一对相对性状的分离比数（3：1）。1.椎实螺螺口方向遗传PDD♀×dd♂

Pdd♀×DD♂↓F1Dd（右）F1Dd（左）↓⊕↓⊕F2DD2Dddd(右)F2DDDddd(右)⊕↓↓↓⊕↓↓↓F3右右左F3右右左3右：1左3右：1左D-:右旋dd:左旋持久的母性影响↓

1母性影响(maternalinheritance)

子代表型不受自身基因型的控制，而受母亲基因型的影响，表现母亲基因型性状的一种遗传现象叫母性影响，又叫前定作用。2特点：正反交F1表型不一样；F3表现F2代核基因型的性状分离比（3：1属于孟德尔核遗传）；子代表现母亲基因型(细胞核)的性状三、母性影响的概念和遗传的特点第二节核外遗传的性质与特点一、细胞质遗传的概念位于细胞核或类核体以外的遗传物质所控制性状的遗传现象（extranuclearinheritance）遗传物质核基因组或染色体基因组染色体基因(核DNA)细胞质基因组各种细胞器基因组线粒体基因组(mtDNA)叶绿体基因组(ctDNA)动粒基因组(kintoDNA)中心粒基因组(centroDNA)膜体系基因组(membraneDNA)非细胞器基因组细胞共生体基因组(symbiontDNA)细菌质粒基因组(plasmidDNA)细胞质遗传的概念和特点

1条环状DNA、正反交不一样多条线状DNA、正反交一样

裸露、无5-mCDNP、25%5-mCDNA含量少（2-10）╳10-15多

GC少多除叶绿体基因外多不均等分配均等分配突变频率大突变频率较小基因通过雌配子传递通过雌雄配子传递载体分离无规律有规律分离细胞间分布不均匀细胞间分布均匀某些基因有感染性无感染性

（二）区别：细胞质基因核基因紫茉莉的枝叶通常是绿色的，具有正常的叶绿素。质体的遗传物质改变，不能产生叶绿素，呈白色，表现为白化。有的植株是呈绿白斑相间，这是由于同一植株细胞质不均等分离所致。为什么？

高等植物之所以能产生绿色是由于在大量的叶绿体中存在着绿色的色素——叶绿素。绿色紫茉莉是含有正常的叶绿体成份，白色的枝条是含有无色的叶绿体，又称为白色体（leukoplasts），它缺乏叶绿素，故不能进行光合作用。从分子水平上来说这是由于其cpDNA。通过母体的遗传可将这些叶绿体传传递给后代，同样白色和花斑的表型也可通过此途径传给后代（转引自Griffiths1999）细胞质分离和重组二）线粒体系统的核外遗传1．小菌落脉孢菌(Neurospora)的遗传

1952年MaryMitchell分离了脉胞菌的突变品系。称为小菌落（poky）。此突变体在很多方面都不同于野生型。它生长慢，并表现出母体遗传的特点，细胞色素的总量异常。细胞色素是线粒体的电子传递体蛋白，是生物氧化酶类的辅助因子。生物通过氧化产生能量是需要它的。像大部分生物一样，野生型脉胞菌含有细胞色素a、b和c，但在poky小菌落品系中仅含有细胞色素c。

在单倍体中如何论证母体遗传呢？此是可以通过野生型和小菌落品系的正反交来说明。Mitchell进行了下例的杂交实验：poky小菌落♀×野生型♂→后代全部为poky小菌落。野生型♀×poky小菌落♂→后代全部为野生型。啊啊

DavidLuck用放射性胆碱（膜的一种成分）来标记线粒体，然后让它在非标记的介质中分裂并进行放射自显影，他发现，质量加倍n次后，放线标记仍分布在线粒体中。Luck得出结论认为，线粒体是通过原来存在的线粒体的分裂来增殖的。如果线粒体是重新合成的话，那么产生的线粒体群体就不会被标记，而原来的线粒体应保持较强的标记。

1965年EdwardTatum领导的研究小组从小菌落脉胞菌中抽提纯化了线粒体，用一个极精细的微量注射器将这种抽提的线粒体注入到野生型的受体细胞中，这些受体细胞经多次培养，其“异常”表型依然存在。然后推测这个涉及异常表型的基因是位于线粒体上。这一推测增加了在脉胞菌和其它物种的线粒体上存在基因的可信性。三

酵母小菌落（petite）突变

酵母是以单个细胞生长的，而不是像脉胞菌那样的以菌丝体生长的。因此在固体培养基上形成不连续的菌落。每个菌落是由数以千计的单个细胞在一起组成的。它可在有氧或无氧的条件下生长。在无氧条件下酵母通过发酵代谢来获得能量供给细胞生长和细胞的代谢，在发酵中不涉及线粒体。（一）小菌落的特点

1940年后期BorisEphrnssi和他的同事研究了酵细胞在固体培养基上的生长要么是通过需氧呼吸，要么通过发酵。偶然的机会，他们注意到一种比野生型菌落小得多的菌落，由于Ephrussi是法国人，所以称小菌落为petites（法语“小”的意思），而野生型菌落就称为grandes（法语“大”的意思）。他发现小菌落并不是因为细胞小，而是因为其生长率明显比野生型低得多。

酵母小菌落系统常用于研究核外遗传，这是由于在酵母中这种突变很多，而且酵母缺乏线粒体的功能仍能存活和生长。这种引起呼吸不足的突变在酵母中可自发产生。在能维持发酵的培养基上，小菌落生长比大菌落慢一些，在维持需氧呼吸的培养基上小菌落是不能生长的。在正常的细胞群体中约有0.1~1%的细胞会自发地变成小菌落。在碱基插入剂（intercalatirngagents）如溴化乙锭（EB）存在时，100%的细胞都变成了小菌落。原因：(1)小菌落缺少一系列的呼吸酶（如琥珀酸脱氢酶，细胞色素氧化酶），而合成这些呼吸酶的基因存在于线粒体上，mtDNA的改变或缺失，而线粒体分向两个子细胞又是随机的，所以用出芽法繁殖时，少数芽体全然缺乏正常线粒体是可以理解的。

(2)小菌落的形成，还和某些核基因的突变有关。概念：细胞核基因正常而线粒体基因不正常时表现为营养型小菌落，细胞核基因不正常而线粒体基因正常时，表现为分离型小菌落。结论：分离型小菌落受核基因控制，杂交后代的分离比符合孟德尔式分离比。而营养型小菌落受细胞质基因控制，杂交后代的分离比4∶0，不符合孟氏比例。

四

衣藻的核外遗传

1954年RuthSager和她的同事们研究了单细胞藻类——衣藻（chlamydomonasreinhardi），对抗菌素的抗性。衣藻是能游动的单倍体生物，它有两根鞭毛和一个含有多个cpDNA的叶绿体。它们有两种交配型mt+和mt-，通常简写成+和-，此是由一个座位上的等位基因控制的。过程是属有性生殖，或异宗配合的（heterothrothallic）。合子是由两个大小相同的细胞融合而形成，它们含的细胞质的量也是相等的。但交配型不同。厚壁的胞囊发育成合子，经减数分裂后产生了四个单倍体的后代细胞，由于交配型是由核基因决定的，所以后代“+”、“－”交配型的比为2:2。有一个以核外遗传的方式是对红霉素（reryr）（erythromycinresistance）和链霉素的抗性（smr）。野生型的衣藻细胞是链霉素-敏感型（sms）。若进行下列杂交

smrmt+×

sm-smt-→全部后代（95%）smr

smsmt+×

smrmt-→全部后代（95%）sms

结果正反交不同，所有的后代（约95%）表现了mt+亲本对抗菌素反应的表型，就像母体遗传现象一样，出现了单亲遗传（uniparentalinheritance）。但两个亲本对合子来说贡献了相等的细胞质。而后代总是保留mt+亲本与叶绿体有关的表型。确定后代是smr

或sms表型是将细胞放在含有链霉素的平板上。

为什么？这些实验揭示出在衣藻中存在着一种神秘的“单亲基因组”，那就是在杂交中表现出单亲传递的一组基因群。它们究竟位于何处呢？单亲传递的机制又是什么呢？看来交配型并不是生理上的差异，那么这些基因为什么只由mt+亲本传递呢？

实验证据表明上述的单亲基因组其实是在cpDNA上。在迅速速生长的衣藻细胞中有单个的叶绿体，其cpDNA约占总DNA的15%，经CSCl密度梯度离心，这种DNA单独形成一条带，和核DNA带分开，而且cpDNA带精确的位置可以通过在培养基中加入同位素15N而发生改变。用此技术对杂交中两个亲本的cpDNA分别以轻的14N和重的15N进行标记，结果其浮力密度分别为1.69和1.70，看来差别似乎很小，但在CsCl梯度中所处的位置明显不同。用这种方法标记亲本合子的DNA经梯度密度离心再和亲本比较，就可以看出mt-亲本的cpDNA丢失了（表20-10），或以某种方式破坏了。当然从mt-亲本中丢失的cpDNA与其单亲基因的丢失是平行的。第三节细胞内敏感性物质的遗传一、草履虫放毒型的遗传1943SonnjebornT.M.草履虫卡巴粒（κParticle）的遗传。草履虫是一种单细胞的原生动物，有一个大核，两个小核。大核主要管营养，是多倍性的。由小核产生。小核主要与遗传有关，是二倍性的。草履虫有一个大的营养核(2n)和两个小的生殖核(2n)，其生殖方式：

1)无性生殖：

2)有性生殖:

A.自体受精：同一个体，大核(2n)消失，两个小核(2n)各自减数分裂(4+4=8)，后留下一个小核(8-7，n)；小核有丝分裂一次后合并(n→n+n→2n)，再分裂成大核(2n)和两个小核(2n)。

B.接合生殖：两虫体接合，大核(2n)消失，两个小核(2n)减数分裂保留一个(8-7，n),有丝分裂(n+n)然后两个虫体彼此交换一个核.

结论：结合生殖的两个个体，若一个是AA，一个是aa，则最后形成4个个体都是Aa。2.草履虫的放毒型和敏感型放毒型：能产生一种叫做草履虫素的物质，对自身无害，但对不同品系的草履虫却是毒素。作用时间一长，能够杀死它们。

敏感型：不能产生草履虫的受害个体放毒型必须有两种因子同时存在：(1)细胞质因子－卡巴粒（Kappaparticle，K）。(2)核基因K－这是一个显性基因。有卡巴粒的草履虫是放毒型，没有卡巴粒的草履虫是敏感型。草履虫素是卡巴粒产生的，但是细胞质中卡巴粒的增殖又依靠核基因K的存在。如果单有核基因K存在，而细胞质中没有卡巴粒，也不能产生卡巴粒，从而仍然是敏感型的。

3.遗传方式放毒型与敏感型的交配（接合）KK×kk。①短暂接合：小核交换，胞质不交换，虫体分开，各形成一个2n核；②长久接合：小核和胞质均交换，虫体分开，各形成一个2n核。4.放毒机理

(1)卡巴粒的结构特点直径约0.2μ，两层膜，含有DNA，RNA蛋白质和脂类，细胞色素，其分量比例跟它的宿主不同，酷似细菌。其rRNA能和E.coliDNA杂交，但不能和草履虫DNA杂交。推测可能是退化的细菌。已演化为内共生体（endosynbiont）。每一放毒型有卡巴粒200-1600。能产生草履虫素。(2)π粒：卡巴粒可突变为放毒型π粒。不能形成明亮的R体（R-body）。即放毒型毒素蛋白质（killertoxinprotein）。折光率很强。(3)R体的存在跟病毒状颗粒有关。病毒状颗粒的DNA含量类似于T偶数噬菌体。R体或许就是这种噬菌体所编的毒素蛋白质。(4)由此看来，卡巴粒所以能赋与它们的宿主以放毒能力，是由于它们的颗粒中带有噬菌体。这种噬菌体编码毒素蛋白，释放到培养液中，称为草履虫素。

1.CO2敏感遗传果蝇：CO2抗性：CO2敏感原因:胞质中的σ颗粒，为感染性因子，可改变雌体对CO2的敏感性，并通过雌体遗传。

2.性比失调：雄性比例极低，甚至缺失原因：由胞质中螺旋体所引起，只传给雌体而不传给雄体——雄体早亡。二、果蝇的感染性遗传第四节细胞质遗传的分子基础一、线粒体DNA(mitochondrionDNA,mtDNA)线粒体是所有真核细胞内部都具有的重要细胞器，是能量生成的场所,其中含有用于三羧酸循环的酶，并进行氧化磷酸化，还参与脂肪酸的生物合成和某些蛋白质的合成。1.发现：(1)Ris（1962），Nass（1963）电镜观察鸡胚线粒体，小细丝能被DNA专一性的染料染色，被专一的DNA酶消化，不能被蛋白质酶或RNA酶消化。(2)电镜照出游离的mtDNA链照片。2.一般性质：

(1)结构：裸露的共价闭环双链分子，纤毛原性动物、草履虫等为线性。(2)大小：各个物种有很大差异。一般动物为14-39kb，真菌类为17-176kb，四膜虫属和原生动物为50kb，植物200kb到2500kb（如在葫芦科中，西瓜330kb，香瓜是2500kb，相差7倍。(3)数量：众多/线粒体，线粒体愈大，所含的DNA分子愈多。酵母50-150DNA/mt。(4)组成：绝大多数没有重复序列，含有短的多聚核苷酸序列，一般比核DNA小；不同区段热很稳定性不均一；哺乳动物mtDNA的D－loop区(也称控制区)总长约1000bp左右，为非编码区，是线粒体基因组中进化速度最快的DNA序列，特别适合于种内群体水平的研究。(5)功能：控制呼吸作用的基因（细胞色素氧化酶酌3个大亚基，细胞色素b-c1复合物的1个亚基、ATP酶的几个亚基）；抗药性（氯、红、寡霉素）基因；自身的tRNA，rRNA基因。3.mtDNA的复制(1)半保留复制；(2)由于不同细胞环境的调节，在相同的细胞中，线粒体DNA可以通过几种方式中的任何一种方式复制，也可以是几种方式并存；a.

θ-形式：小鼠肝细胞mtDNA类似大肠杆菌的θ-形式（1968年，电镜分析）。b.

D-环式：合成最初是沿轻链（L）进行，经过一段时间重链（H）的新互补链才开始合成。当复制沿轻链开始时，其对应的重链处形成一个圈，即D环。c.

滚环式复制。d.

线性DNA的复制。(3)与细胞分裂不同步，不均一，与核DNA合成彼此独立；(4)仍受核基因的控制，DNA聚合酶是由核编码，在细胞质中合成4.mtDNA的转录与转译

(1)真核细胞中的半自主成分。合成线粒体自身所特有的多肽。(2)核糖体：不同生物从55S—80S大小不等，由两个亚基组成．每个亚基有一条rRNA分子。(3)rRNA：通常由mtDNA的重链编码。基因从5'-小亚基-大亚基-3'方向先转录成一个共同的前体。但酵母15S和21SrRNA则是由线粒体DNA上距离较远的区段转录的。(4)tRNA：啤酒酵母中有24个，人类及爪蟾中有22个。(5)线粒体的遗传密码与通用密码不同（1979）。已确定有13个为蛋白质编码的区域，这些基因排列紧凑，且其中多数的tRNA基因位于rRNA和mRNA基因之间。对人类线粒体DNA转录后加工的研究发现原始转录产物的断裂正好发生在mt－tRNA前后。因此mt-tRNA序列的二级结构可能作为加工酶的识别信号，在原始转录产物加工过程中起着“标点符号”的作用。人类线粒体基因组具有几个惊人的特点：(i)基因组结构小而基因排列紧密除了一个与DNA复制起始有关的87bp的D环之外，几乎所有的核苷酸都是用于编码序列的一部分，成为一个蛋白质编码，或为一个rRNA或tRNA编码，基因内无内合子。(ii)仅有22个tRNA分子用于线粒体的蛋白质合成常见的密码子—反密码子配对规则看来在人类线粒体中显得比较宽松，线粒体基因组的许多tRNA可以识别密码子中第三个位置上4个核苷酸(A、U、G、C)中的任何一个，这祥就使得一个tRNA得以与4个密码子中的任何一个配对．从而只需少数tRNA便能进行蛋白质合成。(iii)有4个密码于的含义不同于核基因组中的相同密码子。这种差异提示线粒体的遗传密码中可能出现遗传的随机突变。推测由线粒体基因组编码的极少数蛋白质还能容忍个别含义不同的密码而产生偶然的变化。然而这种变化在核基因组中将改变许多蛋白质的功能从而导致细胞受损。二、质体DNA（chloroplastDNA，ct-DNA）1.证明：(1)50年代，有呈孚尔根反应的颗粒存在。

(2)Ris和Plant（1962）电镜观察衣藻、玉米，在电子密度较低的部分有20.5nm左右的细纤维存在，用DNA酶处理，这种纤维就消失。

(3)维尔斯脱斯泰因同位素3H-T，电子显微自显影。（4)岩村,石田根据紫外线吸收。2.质体DNA的结构特点：(1)裸露的环状双螺旋分子：120-217kb，一个叶绿体中ctDNA高等植物1-60拷贝，藻类100拷贝。(2)不含5'-甲基胞嘧啶（核内25%的胞嘧啶是甲基化的）(3)大多数存在两个反向重复排列顺序，单链复性时形成两个大小不等的单链环。(4)藻类ct基因组2000Kb，15%跟核DNA可以形成杂种分子。陆生高等植物，150Kb。(5)有内含子。3.ctDNA的复制、转录和翻译

(1)复制：自律复制，随机分配，复制速率与核DNA不同。(2)转录：可以转录mRNA、tRNA、rRNA，合成自己的核糖体。a.核糖体为70S=50S+30S亚基。rRNA为16S，23S，4.5S，5S。b.tRNA，30多种tRNA，有些同功tRNA是由不同基因编码。(3)蛋白质的合成：具有一整套合成蛋白质的结构和场所。第五节核外遗传与植物雄性不育性特点：雄蕊发育不正常，不能产生可育花粉;雌蕊发育正常，可以接受正常的花粉而受精结实。鉴别：花药瘦小、空瘪、呈箭头状；花粉皱缩、空瘪、含淀粉很少或无。种类：(1)生理上不协调或某些环境因素造成的，不能遗传。

(2)染色体的雄性不育：由于染色体数目、性质上的不协调所造成。多为远缘杂交种。

(3)可遗传的雄性不育：由核、质基因的作用。一、植物的雄性不育性

雄性不育(malesterility)：由于花粉不能正常发育，不能与卵细胞受精形成合子，产生子代个体的遗传学现象。

1）核不育性由核基因引起雄性不育。多发生在减数分裂过程，不能形成正常花粉，为隐性基因（ms）控制，(ms/sm)表现不育，不育基因依靠杂合体保持，杂合体后代呈简单的Mendel分离比，不能使后代全部不育，使其应用受到限制。2）质-核不育性

由细胞质和核共同控制的雄性不育类型。多发生在减数分裂后小孢子形成期，由不育的细胞质基因（S）和对应的核基因（纯合r