真核生物的染色体作图(3h)课件

Chapter6 真核生物的染色体作图(3h)本章要求6.1 连锁遗传理论的建立6.2 性状连锁遗传规律6.3 连锁与交换的遗传分析6.4 基因定位与连锁遗传图6.5 真菌类的染色体作图（自学）6.6 有丝分裂分离与重组（自学）6.7 连锁交换定律的意义复习思考题掌握本章涉及的名词概念、连锁遗传规律的内容、交换值的测定方法、及连锁遗传规律的意义。了解连锁与交换的遗传机制，基因间距离、交换值、重组值、遗传距离及连锁强度的关系。能识别连锁遗传图上的基本信息。了解四分子分析与着丝点作图的基本原理。了解连锁遗传规律在育种工作中的应用。本章要求v根据遗传的染色体学说与独立分配规律推测：位于非同源染色体上的非等位基因遗传时独立分配；如果有一些基因位于同一染色体上，必然会出现非独立分配的现象，否则各种性状的数目(基因对数)就不能超过细胞内染色体对数。vMendel在豌豆杂交试验中就发现，红花和麻种皮、白花与白种皮总是连在一起遗传。vBateson and Pannett(1906)在香豌豆两对相对性状杂交试验中又发现连锁遗传(linkage)现象。vT.H.Morgan et al.(1910)提出连锁遗传规律以及连锁与交换的遗传机理，并创立基因论(theory of the gene)。6.1 连锁遗传理论的建立6.2 性状连锁遗传规律6.2.1 性状连锁遗传的表现v连锁遗传现象v连锁遗传现象的解释及验证v连锁遗传规律6.2.2 连锁与交换的机理v基因的连锁关系v连锁与互换的机理v连锁群6.2.3 连锁遗传的细胞学基础v基因交换的实验证明v交换发生的时间v交换与交叉的关系v交换的理论假设v重组的最大频率v连锁遗传现象连锁遗传：不同性状常常联系在一起传递给后代的现象称为连锁遗传。P：紫花长花粉粒PPLL 红花圆花粉粒ppll F1：紫长PpLl F2：紫长 P-L-紫圆 P-ll 红长 ppL-红圆 ppllO：284 21 21 74E：225 75 75 25X23=189.27 X2 0.01(3)=11.34，差异极显著，表明实得数与理论数极不相符。v连锁遗传现象的解释及验证解释：两种不同的亲本组合杂交结果相似，若只考虑一对相对性状，均符合3:1的分离比。Bateson 和和 Pannett推测，F1代产生配子时：F1代基因型：PpLlF1代配子：PL Pl pL pl若Pp与Ll独立遗传：1 ：1 ：1 ：1F2表型比应为：9 ：3 ：3 ：1若Pp与Ll 连锁：多 少 少 多则F2表型比为：多 少 少 多验证测交法果蝇：红眼（pr+或+）紫眼（pr）长翅（vg+或+）残翅（vg）P pr+pr+vg+vg+prprvgvgF1 pr+prvg+vg prprvgvg prvg 表型 实测数 理论数 +pr+vg +1339 709.75 +vg +pr vgvg +vg 151 709.75 pr+prpr+vg pr+154 709.75 prvg prpr vgvg pr vg 1195 709.75 总数 2839 2839测交试验结果分析F1形成四种配子，但比例显然不符合1111；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。结论 F1在形成配子时，重组型配子数少于亲本型配子数，导致测交后代数不成1111之比，说明亲本具有的两对非等位基因不是独立遗传而是连锁遗传，且是不完全连锁（若完全连锁，则相当于一对基因的遗传，就不会出现重组类型）。v 连锁遗传规律连锁遗传的不同性状是由位于同一染色体上的非等位基因控制，在形成配子时，位于同一染色体上的基因倾向于连在一起传递；重组型配子是细胞减数分裂时非姊妹染色单体间交换产生的。连锁基因集合（位）于同一染色体上的非等位基因互称为连锁基因。基因连锁非等位基因在同一染色体上的集合称为基因连锁。6.2.2 连锁与交换的机理v基因的连锁关系根据基因显隐性关系分：相引相不同对的显性基因或隐性基因相互联锁在一起的基因构型称为相引相。如AB/ab相斥相不同对的显性基因和隐性基因相互联锁在一起的基因构型称为相斥相。如Ab/aB根据连锁基因间是否发生交换分完全连锁(complete linkage)：指两对非等位基因总是连在一起，永不分离，其遗传行为与一对基因相同。拟等位基因：遗传学上把完全连锁的，控制同一性状的非等位基因称为拟等位基因。不完全连锁(incomplete linkage)：指连锁基因之间在遗传过程中可能发生交换而表现出独立遗传的现象。v 连锁与互换的遗传机理PF1偶线期同源染色体联会粗线期同源染色体的非姊妹染色单体交换中期配子 重组型配子产生的原因与数量基因不完全连锁时，重组型配子是连锁基因相连区段内发生交换的结果。重组型配子总是少于配子总数的50%。交换具有对等性互换（若不互换，则会导致染色体畸变）。例：玉米籽粒颜色与粒形两个性状的遗传有色（C）无色（c）;饱满（Sh）凹陷（sh）C-Sh基因间的连锁与交换交换与不完全连锁的形成重组型配子的产生是由于：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，其中两种亲本型、两种重组型/交换型。相邻两基因间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。v 性状连锁遗传的表现不完全连锁指位于同一染色体上的非等位基因在配子形成过程中发生了互换，不在伴同遗传的现象。交换在减数分裂期间同源染色体相互配对，同源染色体的非姐妹染色单体间偶尔会发生互换，其过程称为交换。重组通过染色单体间的交换，产生新基因组合或非同源染色体间组合的过程称为重组。染色体间重组-自由组合 染色体内重组-连锁交换连锁群-位于同一染色体上的所有基因称为一个连锁群.v 连锁群6.2.3 连锁遗传的细胞学基础v 交换的细胞学证据交换的细胞学证据交换：遗传学上将等位基因交换座位称为交换，表现为连锁基因的重组。交叉：是指细胞学观察到的染色体交叉现象，这种现象只有在双线期同源染色体互斥，交叉点端化过程中才能观察到，实际上这时基因已经交换。交叉并不一定产生基因交换。实验证明：姊妹染色单体分化染色技术v 交换与交叉的关系 Creightion和Mclintock的实验 Stern的实验（果蝇染色体的交换）v 交换发生的时间粗线期v 基因交换的实验证明断裂重接模型 Darlington 于1937年提出(交换是复制完成后两个染色单体断裂并重新连接的结果)拷贝选择模型 John Belling 于1928年提出(交换是染色单体复制过程中变换模版的结果)v重组的最大频率（50%）同源染色体的非姐妹染色单体上交换次数对重组频率的影响。双交换对重组频率的影响v交换的理论假说6.3.1 连锁的表示方法 A B 或AB/ab a b aB/Ab6.3.2 重组值及其测定v重组值与交换值v重组值的测定v重组值与遗传距离v影响重组值的因素6.3 连锁与交换的遗传分析v 重组值与交换值重组值（recombination value）：不完全连锁的双杂合体产生的重组型配子数占配子总数的百分比，又称重组率（recombination frequency），用Rf表示。交换值（cross-over value）：指不完全连锁的两基因间发生交换的频率。通常把重组值称为交换值，实际上交换值不能等同于重组值，因为等位基因之间偶然会发生多重交换，多重交换的结果不一定形成重组型配子，用重组值代表交换值会造成偏低的估计。可用Haldane 推导出的作图函数进行校正。式中，x表示交换率，m表示每个减数分裂细胞在某一特定区域发生交换的平均次数，e为自然对数的底。v 重组值的测定相引相测交法测交后代(Ft)表现型的种类和比例直接反映被测个体(如F1)产生配子的种类和比例。自交法（自学）A、简易法（x指双隐性纯合子的频率）B、最大可能法C、乘积法相斥相重组值的变化范围：非姊妹染色单体间交换次数及位置是随机的，两个连锁基因间重组值的变化范围是 050%，遗传距离(genetic distance)：通常用重组值/交换值来度量基因间的相对距离，也称为遗传图距。以1%的交换值作为一个遗传距离单位(1cM)，1cM1Mb。其变化反映基因间的连锁强度或相对距离。重组值越大，说明两基因间的距离越远，基因间的连锁强度越小；重组值越小，说明基因间的距离越近，基因间的连锁强度越大。v重组值与遗传距离基因间的距离与交换值、遗传距离、连锁强度间的关系v影响重组值的因素基因在染色体上的位置。基因之间的距离。重组型配子生活力的差异会影响重组率的估计。减数分裂时同源染色体不能正常联会，无法形成重组型配子或减少重组型配子产生的机会。群体大小。当重组率很低时，在小群体中可能不会出现重组型个体，要准确估计重组率，足够数量的群体是必需的。v影响重组值的因素低温、辐射等能使重组率提高。激素。激素对重组率影响表现在雌雄个体重组率有差异。如雄果蝇的染色体不发生交换，不形成重组型配子，因此在果蝇的基因重组测定中，杂合亲本总是用雌果蝇。但在家蚕中却是雌蚕的染色体不发生交换（ZW）。二价阳离子（如Ca2+、Mg2+等）也会影响重组率，过高会降低重组率，过低会提高重组率。年龄及其它外部条件也会影响基因的重组率。6.4 基因定位与连锁遗传图6.4.1 基因定位6.4.2 干扰和符合6.4.3 连锁遗传图6.4.1 基因定位v基因定位的含义与层次v两点测验v三点测验基因定位：确定基因在染色体上的相对位置和排列次序.根据两个基因位点间的交换值能够确定两个基因间的相对距离，但并不能确定基因间的排列次序。例玉米糊粉层有色C/无色c基因、籽粒饱满Sh/凹陷sh基因均位于第九染色体上，且C-Sh基因间的交换值为3.6%。因此一次基因定位工作常涉及三对或三对以上基因位置及相互关系。v基因定位(gene location)的含义与层次基因定位的层次广义的基因定位有两个层次：染色体定位(单体、缺体、三体定位法)；通过连锁分析法(linkage analysis)*确定基因在染色体上排列顺序和相对距离。连锁分析的方法两点测验(two-point testcross):通过三次两对非等位基因之间的杂交和测交，求得三个重组值，将三个非等位基因定位于同一染色体上的方法称为两点测验（交）。三点测验(three-point testcross):通过一次杂交和一次测交，将三对非等位基因定位在一条染色体上的方法叫三点测验(交)法。v两点测验两点测验的步骤：通过三次亲本间两两杂交，杂种F1与双隐性亲本测交，考察测交子代的类型与比例。例：玉米第9染色体上三对基因间连锁分析子粒颜色：有色C无色c；饱满程度：饱满(Sh)凹陷(sh)；淀粉粒：非糯性(Wx)糯性(wx).(1).(CCShShccshsh)F1 ccshsh(2).(wxwxShShWxWxshsh)F1 wxwxshsh(3).(WxWxCCwxwxcc)F1 wxwxcc:计算三对基因两两间的交换值估计基因间的遗传距离。两点测验的步骤（2/3）：根据基因间的遗传距离确定基因间的排列次序并作连锁遗传图谱。Rf C-Sh=3.6 Rf Wx-Sh=20 Rf Wx-C=22两点测验的步骤（2/3）现在第三组交换值为22.0%，与23.6%较为接近，故以第一种较为正确。工作量大，需要作三次杂交，三次测交。不能排除双交换的影响，准确性不够高。当两基因位点间超过五个遗传单位时，两点测验的准确性就不够高。两点测验的局限性v 三点测验 通过一次杂交和一次用隐性亲本测交，同时测定三对基因在染色体上的位置，是基因定位最常用的方法。特点：(1).纠正两点测验的缺点，使估算的交换值更为准确；(2).通过一次试验可同时确定三对连锁基因的位置。v 三点测验的步骤:用三对性状差异的两个纯系作亲本进行杂交、测交。果蝇的眼形、翅形、翅横脉三对基因连锁，正常眼（+）棘眼（ec）;正常翅（+）截翅（ct）;正常横脉（+）横脉缺失（cv）ec ct +ec ct +棘眼、截翅、正常横脉 正常眼、正常翅、横脉缺失+cv+cvec ct +cvec ct cvec ct cv：考察测交后代的表现型并进行分类统计；判断基因之间是否连锁，怎样连锁。关键是确定中间一个基因：可以最少的双交换型与最多的亲型相比 判断什么基因发生了位置改变。发生位置变化的基因一定在中间。配子 ec ct cv 观察数 类 型 交换发生的位置 ec ct +ec ct +（ec +ct）ec ct cv 2125 +cv +cv 亲本型（+cv +）ec ct cv 2207 ec +cv ec +cv（ec cv +）ec ct cv 273 +ct +ct +单交换 eccv（+ct）ec ct cv 265 ec ct cv ec ct cv（ec cv ct）ec ct cv 3 eccv +双交换型（+）ec ct cv 5 cvct ec +ec +（ec +）ec ct cv 217 +ct cv +ct cv 单交换 cvct（+cv ct）ec ct cv 223 总数 5318：根据各类型数量，确定亲本型、双交换型、和单交换型。数目最多的两种配子（或表型）即是亲型，数目最少的两种配子（或表型）即是双交换类型，其余两组即是两种单交换型。正确排列顺序ec ct +cv+ec ct cv+ec cv ct双交换发生双交换型配子*：根据双交换类型确定三对基因间的排列顺序，并按正确顺序写出各种类型的配子。：计算双交换值和单交换值。用双交换值对单交换值进行校正。：作出遗传图。eccvct10.38.418.76.4.2 干扰与符合v 理论双交换值：指双交换发生的理论频率。双交换发生的理论频率等于两单交换频率(交换值)之积。例：ec cv ct三点测验中，ec和cv基因间的理论双交换值应为：0.1030.084=0.87%。6.4.2 干扰与符合v符合系数(coefficient of coincidence):也称并发系数，用以衡量两次交换间相互影响的性质和程度。如前例：v干扰(interference):指一个单交换发生后，在其相邻区段内发生另一单交换的机会减少的现象，或称干涉。上例中，测交试验的结果表明，ec和ct基因间的实际双交换值为0.15，低于理论双交换值，这是由于ec-cv间或cv-ct间一旦发生一次交换后就会影响另一区段内交换的发生，使双交换的频率下降。干扰的程度=1-符合系数（=1-0.17=0.83)6.4.2 干扰与符合v 符合系数与干扰的关系符合系数的大小因物种不同而各有差异。真核生物的符合系数一般为01正干扰某些微生物的符合系数往往大于1，称为负干扰。6.4.3 连锁遗传图v染色体作图（chromosome mapping）：指确定相互连锁的基因在染色体上的位置及其相互间的遗传距离的过程。v连锁遗传图(linkage map)：描述基因在染色体上的排列顺序和相对距离的数轴图叫连锁遗传图，又称遗传图谱(genetic map)。v染色体作图的过程前提条件：产生重组型配子的基因型的所有位点必须呈杂合状态。纯合状态的位点不能作为标记。必须能够根据后代的表型或基因型推断所有配子的基因组成；若不能推断其基因型，后代表型必须能反映出亲本配子的基因组成。有足够多的测交后代。基因间距越小，发生交换的可能性越少，获得重组型所要求的后代数量越多。6.4.3 连锁遗传图v 染色体作图的过程寻找遗传标记表型标记生化遗传标记DNA分子标记 测定交换值 用于计算交换值的遗传材料有测交一代、自交F2代、双单倍体（double haploid，DH）群体和重组自交系（recombinant inbred line，RIL）群体。双单倍体来自杂交F1的配子体染色体数目加倍，其特点是每个个体的基因型纯合，其表型与F1测交后代相同。重组自交系（RIL）是对F2群体中各个个体的后代连续自交（自群繁育）直至纯合状态时获得的纯系。绘制连锁遗传图连锁群 6.5 真菌类的染色体作图6.5.1 红色面包霉的特点6.5.2 四分子分析与着丝点作图6.5.3 红色面包霉的连锁与交换6.5.1 红色面包霉的特点v红色面包霉(真菌类)的特点：易于繁殖、培养、管理；可直接观察基因表现，无需测交；可获得、分析单次减数分裂的结果等。v红色面包霉减数分裂特点：每次减数分裂结果(四个分生孢子，或其有丝分裂产生的八个子囊孢子)都保存在一个子囊中；四分子或八分子在子囊中呈直线排列直列四分子，直列八分子，具有严格的顺序。6.5.2 四分子分析与着丝点作图v四分子分析(tetrad analysis)指根据一个子囊中四个按严格顺序直线排列的四分子(或其有丝分裂产物子囊孢子)表现进行的遗传分析，也称为直列四分子分析。v非直列四分子分析：四分子没有严格排列顺序，如酵母菌。6.5.2 四分子分析与着丝点作图v着丝点作图(centromere mapping)：若减数分裂过程中，基因位点与着丝点间不发生非姊妹染色单体间交换，一对等位基因分离产生的两种类型的孢子将分别排列在子囊的两端；若发生交换将产生不同的排列方式。可根据子囊中孢子排列方式判断该次减数分裂是否发生交换，并计算交换值；该交换值为基因与着丝点间的交换值，因此可估计基因位点与着丝点间遗传距离，并进行连锁作图，称着丝点作图。6.5.3 红色面包霉的连锁与交换v红色面包霉有一个与赖氨酸合成有关的基因(lys)：野生型能够合成赖氨酸，记为lys+，能在基本培养基(不含赖氨酸)上正常生长，成熟子囊孢子呈黑色；突变型不能合成赖氨酸，称为赖氨酸缺陷型，记为lys，在基本培养基上生长缓慢，子囊孢子成熟较迟，呈灰色。v用不同接合型的lys+和lys-杂交，可预期八个孢子中lys+和lys-呈44的比例，事实也是如此。v在对子囊进行镜检时发现，子囊中lys+和lys-有六种排列方式。v六种子囊孢子排列方式v六种子囊孢子排列方式v第一次分裂分离与第二次分裂分离(1-2)两种排列方式：野生型lys+和突变型lys-在 AI 彼此分离，称第一次分裂分离(first division segregation)。着丝粒和lys基因位点间不发生非姊妹染色单体交换，因此这两种子囊类型就是非交换型子囊。(3-6)四种排列方式：第一分裂产物中野生型与突变型未发生分离，野生型和突变型 AII 发生分离，称第二次分裂分离(second division segregation)。着丝粒与基因位点间发生非姊妹染色单体交换，因此这四种子囊均为交换型子囊。v非交换型、交换型子囊的形成v着丝点距离与着丝点作图将着丝点当作一个基因位点看待，计算基因位点与着丝点间的交换值，估计基因与着丝点间的遗传距离，称为着丝点距离。每个交换型子囊中，基因位点与着丝粒间发生一次交换，其中半数孢子是重组型(重组型配子)。因此，交换值的计算公式为：6.7 连锁交换定律的意义v连锁定律的发现，进一步证明染色体是遗传物质的载体，基因在染色体上是按一定的距离和顺序呈线性排列的。v连锁基因交换造成的基因重组，是生物界出现多样性的又一重要原因。v育种工作中，可根据交换值的大小预测杂交后代中理想类型出现的概率，便于确定育种规模。v利用基因连锁造成性状相关，根据某一性状间接选择相关的另一性状。复习思考题1.大于50个遗传单位的遗传距离说明什么？2.一个果蝇品系，将一三隐性纯合雌蝇（aabbcc）与野生型雄蝇杂交，F1代进行兄妹交配，得F2如下：+1364 abc 365 ab+87 +c 84 a+47 +bc 44 a+c 5 +b+4试计算各基因间的重组值，符合系数，并进行基因定位。