遺傳基本規(guī)律_現代生物學導論

第一節(jié)　遺傳基本規(guī)律

一、孟德爾定律與顆粒式遺傳

孟德爾是當時奧地利古老的布隆城的修道士。他從1857年到1864年選擇豌豆為實驗材料，連續(xù)進行了8年雜交實驗，運用統(tǒng)計學方法分析實驗結果，確立了生物性狀傳遞的兩條基本規(guī)律——分離定律和自由組合定律。

圖6－1　孟德爾(1822～1884)

1.分離定律

孟德爾在研究工作中，遵循了從簡單到復雜的原則。他首先對單個性狀進行研究，共選擇了七對穩(wěn)定的、易區(qū)分的性狀進行了雜交實驗。

(1)種皮的顏色:褐色或白色(褐色種皮開紅花，白色種皮開白花)。

(2)種子的性狀:圓形或皺縮。

(3)種子胚乳(即子葉)顏色:黃色或綠色。

(4)成熟豆莢的形狀:飽滿或縊縮。

(5)未成熟豆莢的顏色:綠色或黃色。

(6)花的著生部位:腋生或頂生。

(7)莖的長度:長莖或短莖。

我們以孟德爾對豌豆莖長度的研究為例說明孟德爾的實驗。選擇長莖和短莖的豌豆為親本(P)進行雜交，發(fā)現所得到的雜種一代(F₁)全為長莖，而F₁代豌豆自花授粉所得到的F₂代豌豆種子播種后觀察發(fā)現，既出現長莖豌豆，又出現短莖豌豆。在1064株F₂代豌豆中，高莖的有787株，矮莖的有277株，兩者數目之比近似于3∶1。對其他性狀所進行的研究也得到了類似結果(表6－1)。

表6－1　孟德爾豌豆雜交試驗結果

為解釋這一結果，孟德爾提出了一系列觀點:(1)生物性狀的遺傳由遺傳因子決定。(2)遺傳因子在體細胞內成對存在，一個來自父本，另一個來自母本，二者分別由精卵細胞帶入。在形成配子時，成對的遺傳因子彼此分離，各自進入到一個配子中。(3)在雜種F₁的體細胞中，兩個不同的遺傳因子各自獨立、互不干涉，但二者對性狀發(fā)育所起的作用卻表現出明顯的差異，一方對另一方起了決定性的作用，因此有顯性因子和隱性因子之分。(4)雜種F₁所產生的不同類型的配子數目相等，而雌雄配子的結合又是隨機的，所以各種不同類型的雌配子與雄配子的結合機會均等，F₂代出現3∶1的分離比例。由此形成了孟德爾第一定律，即分離定律。

2.自由組合定律

在分離定律的基礎上，孟德爾進一步研究了兩對和兩對以上性狀的遺傳規(guī)律，發(fā)現了自由組合定律。他用黃色圓形種子和綠色皺縮種子雜交，F₁都是黃色圓形，F₁自交產生的F₂中，除了親本表型黃色圓形和綠色皺縮以外，還出現了黃色皺縮和綠色圓形兩種新表型。我們把親本原有的性狀組合稱為親組合(parental combination)，親本中沒有的性狀組合叫重組合(recombination)。F₂共得到556粒種子，各種性狀的實得數見表6－2，4種性狀比例接近9∶3∶3∶1。

表6－2　豌豆兩對性狀雜交結果

孟德爾指出，解釋這一實驗結果的關鍵是自由組合定律:控制不同性狀的遺傳因子的分離和組合是互不干擾的，在形成配子時，決定同一性狀的成對的遺傳因子彼此分離，決定不同性狀的遺傳因子自由組合。

3.顆粒式遺傳

孟德爾在闡述兩大定律的過程中，描述了遺傳因子的行為及其特點。他指出:遺傳因子在體細胞內成對存在，一個來自父本，另一個來自母本，二者分別由精卵細胞帶入。在形成配子時，成對的遺傳因子彼此分離，各自進入到一個配子中。正是因為孟德爾所描述的遺傳因子行為與細胞內染色體的行為完全一致，遺傳的染色體假說迅速流傳開來，為人們進一步認識和研究遺傳物質奠定了基礎。

孟德爾所描述的遺傳因子是固體的、顆粒式的。遺傳因子在一個個體體內有兩個，兩個遺傳因子同時存在時不相互沾染、不相互融合，在生成配子時分開，各自獨立地進入配子中。孟德爾式遺傳因子證實了“顆粒式遺傳”理論，這種“顆粒式遺傳因子”從此成為了功能的單位、重組的單位和變異的單位。

二、連鎖互換定律

在重新發(fā)現了孟德爾定律之后，遺傳學家們進行了大量的雜交實驗，有些符合孟德爾定律，有些則不相符:兩對非等位基因間并不總是自由組合的，很多的時候是作為一個共同的單位傳遞著。

大約在1910年，一位叫摩爾根的科學家的實驗室偶然誕生了一只白眼雄果蠅。摩爾根晚上把它帶回家中，放在床邊的一只瓶子中，白天把它帶回實驗室。他以這只珍貴的白眼果蠅為材料，進行了一系列精彩實驗，將遺傳學推到了又一個新高度。

圖6－2　摩爾根(1866～1945)

摩爾根將這只白眼雄果蠅同一只正常的紅眼雌果蠅交配，F₁果蠅全部是紅眼果蠅。F₁果蠅互相交配，產生F₂果蠅，其中有347只個紅眼的，782只白眼的，基本符合3∶1的比例。然而摩爾根發(fā)現，F₂白眼果蠅居然全部是雄性，沒有一只是雌性的!也就是說，突變出來的白眼基因伴隨著雄性個體遺傳。摩爾根知道，果蠅的4對染色體中，有一對是決定性別的。其中雌性果蠅中的兩條性染色體完全一樣，記為XX染色體;雄性果蠅中的性染色體一大一小，記為XY染色體。摩爾根判斷，白眼基因位于X染色體上:當那只白眼雄蠅與正常的紅眼雌蠅交配后，由于紅眼是顯性基因，F₁不論雌雄，都是紅眼果蠅;當F₁雜交時，體內含有白眼基因的雌性紅眼果蠅與正常的雄性紅眼果蠅交配，就會出現含白眼基因的一條X染色體與一條Y染色體結合，生成第二代雜交果蠅中的白眼類型，而且都是雄性的。摩爾根把這種白眼基因跟隨X染色體遺傳的現象，叫做“連鎖”。

隨后，摩爾根和他的學生們繼續(xù)用果蠅進行遺傳學研究。他們發(fā)現，基因在每條染色體內是直線排列的。染色體可以自由組合，而排在一條染色體上的基因是不能自由組合的。摩爾根把這種特點稱為基因的“連鎖”。摩爾根在長期的試驗中發(fā)現，位于同一染色體上的基因具有連鎖性，在減數分裂時同源染色體會發(fā)生交換，造成子代個體具有一定的分離比。連鎖和交換定律，是摩爾根發(fā)現的遺傳第三定律。

三、一基因多效與多基因一效

前文提到，自從孟德爾證實“顆粒式遺傳因子”理論后，遺傳因子也就是日后所稱的“基因”(gene)成為了遺傳學家眼中功能的單位、重組的單位和變異的單位。然而，現代生物學已經證明，基因是遺傳物質核酸分子上一段可以用來編碼產物的完整序列?；虻闹饕δ苁怯脕砭幋a蛋白質。而生物體發(fā)育中的各種生理生化過程都是相互關聯、相互制約的。因此，一個基因常?？梢杂绊懚喾N性狀，稱為一基因多效，也叫基因的多效性。如人的成骨不全，它是一種顯性遺傳病，一個座位上的基因改變，可以使患者同時具有多發(fā)性骨折、藍色鞏膜和耳聾等3種癥狀。又如翻毛雞的翻毛基因，不僅影響雞羽的反卷，而且還使其體溫下降，心跳增快，心、脾擴大，生育力降低等。這種由一對基因的差異引起許多性狀的變化，在生物界是非常普遍的。

同樣，自然界中生物的任何性狀都不是孤立的、單一的，僅受一個基因控制的性狀其實很少。一個性狀往往受到多個基因相互作用的影響，這種現象稱為多基因一效。例如人體的ABO血型系統(tǒng)，區(qū)分的原則是紅細胞上是否有A、B抗原，而A、B抗原均由H抗原轉化而來，因此決定ABO血型的實際上有兩對非等位基因I基因(I^A、I^B、i)和H基因(H、h)。又如小鼠的毛色至少由5對基因決定:A，B，C，D和S。野生型基因A控制的表型稱野鼠色，即像野兔子那種深棕色。其等位基因a使小鼠不產生黃斑，毛呈純黑色。B基因使色素元形成黑色素，其等位基因b是不能形成黑色素，毛呈純黃色。C基因控制允許色素產生，其等位基因c使色素不能形成，毛色為白色。D基因是起淡化顏色作用的基因，野生型D不起淡化作用，突變d可將顏色變淡，雜合型Dd起到中等淡化的作用。P基因是控動物身上是否有花斑，P控制無斑，p控制有斑。那么一只純黑色小鼠的基因型應當是aaBBCCDDPP，純黑色是五對基因共同作用的結果。以下要論述的數量性狀也是多基因一效的典型代表。

四、數量遺傳

孟德爾進行的遺傳學研究中有一個重要的前提:一對遺傳因子控制一個性狀。孟德爾所研究的性狀也都是穩(wěn)定的、明確的、可區(qū)分的性狀，如種皮顏色等，我們稱之為質量性狀。然而，自然界中還存在著大量變異連續(xù)、不易歸類的性狀，如作物的產量、生育期、籽粒重、乳牛泌乳量、羊毛長度等，我們稱之為數量性狀(quantitative characters)。這些性狀常常具有重要的經濟價值。數量性狀是指在一個群體內的各個體間表現為連續(xù)變異的性狀。數量性狀較易受環(huán)境的影響，在一個群體內各個個體的差異一般呈連續(xù)的正態(tài)分布，難以在個體間明確地分組。研究數量性狀遺傳規(guī)律的學科稱為數量遺傳學(quantitative genetics)。

1908年尼爾遜·埃爾用紅粒和白粒小麥進行雜交試驗，觀察到雜交后代麥粒顏色的深淺和增效基因的數量有關系，由此提出了多基因假說，對數量性狀的遺傳進行了解釋。他認為控制數量性狀的一系列基因是核基因，單個基因的遺傳方式仍然服從孟德爾的遺傳規(guī)律，這些彼此獨立的基因中的任何一個對性狀表現的效果很微小，因此稱為微效基因。多基因假說的要點包括:

1.同一數量性狀受多對微效基因的共同作用(聯合效應)。

2.微效基因中的每一對基因對性狀所產生的效應是微小的，且大致相等，不能辨認單個基因的效應。

3.微效基因的效應是累加的，又稱累加基因。

4.微效基因之間常無顯隱性關系，用大寫字母表示增效，用小寫字母表示減效。

5.微效基因對環(huán)境敏感，因而數量性狀的表現易受環(huán)境因素的影響而發(fā)生變化。

6.微效基因與主效基因一樣，都在細胞核內的染色體上，并且具有分離、重組、連鎖等性質。

控制數量性狀的微效基因的數目多，每個基因的作用很小，甚至與環(huán)境因素對性狀的影響類似，各個基因的效果可以累加，所以性狀表現為連續(xù)變異，只能用度量單位進行測量，采取統(tǒng)計學方法加以分析。

控制數量性狀的還常常存在一些主效基因。主效基因是對數量性狀貢獻率較大的基因。尋找、利用主效基因可能是分子育種的有效手段。數量性狀座位(quantitative trait locus，QTL)定位是近年來興起的一種新實驗技術:人們通過尋找遺傳標記和感興趣的數量性狀之間的聯系，將一個或多個QTL定位到遺傳標記旁，以期克隆主效基因。目前，QTL定位在很多物種(如水稻)中取得了巨大成績，但由于遺傳背景和環(huán)境因素對表型的影響會直接影響QTL定位的結果，加上QTL定位后克隆主效基因仍有較大難度，如何將該技術有效應用于分子育種中，仍有待進一步研究。

五、細胞質遺傳

真核生物的細胞中，除細胞核內有遺傳物質外，細胞質中也存在一些遺傳物質，如線粒體、葉綠體中都有DNA分子。由細胞質基因決定性狀表現的遺傳現象稱為細胞質遺傳(cytoplasmic inheritance)。

由于受精卵中的細胞質幾乎全部來自卵細胞，細胞質遺傳的特點是母系遺傳，即子代的性狀受母本(卵細胞)細胞質控制，雜交后代不出現一定的分離比例。

細胞質中的遺傳物質，無論是線粒體還是葉綠體，或是細胞質內其他帶有遺傳物質的顆粒，都和核基因有著千絲萬縷的聯系，受核基因的調節(jié)與控制。

細胞質遺傳在生產實踐中最重要的應用是兩區(qū)三系雜交育種法。

兩個遺傳組成不同的親本雜交產生的雜種F₁代優(yōu)于雙親的現象稱為雜種優(yōu)勢。由于雜交個體的后代所結的種子(F₂)會發(fā)生分離而喪失雜種優(yōu)勢，雜交種子無法從其后代直接獲得。因此，如何大量、便捷地獲得生產實踐中所用的雜交種子，是雜交育種過程中要解決的關鍵問題。

遺傳學家首先在自然界中找到一種由細胞質內的遺傳物質所決定的雄性不育(s)，它的遺傳特征顯示為母性遺傳。同時，在細胞核內尋找到能恢復其育性的顯性核基因Rf。利用它們制備三個系:雄性不育系，基因型為(s) rfrf;保持系，基因型為(N) rfrf;恢復系，基因型為(N) RfRf。在進行雜交種子繁制過程中，第一區(qū)種植不育系和保持系，由于僅保持系可以散粉，在不育系上所結的就是不育系種子，從而大量獲得不育系。同樣，保持系上所結的就是保持系種子，從而大量獲得保持系。第二區(qū)種植恢復系和不育系，由于只有恢復系可散粉，恢復系上所結的就是恢復系種子，不育系由于接受了恢復系的花粉，其上所結種子的基因型變?yōu)?s) rfRF，恢復了育性，成為可在生產實踐中使用的雜交種子。

六、環(huán)境對表型的影響

除遺傳因素可以對表型產生影響外，環(huán)境因素也會對表型產生影響。反應規(guī)范是指基因型對環(huán)境反應的幅度，即在一定的環(huán)境條件下，特定的基因型所產生的表型的變動范圍。

1.外顯率

外顯率(penetrance)指在特定環(huán)境條件中，某一基因型顯示預期表型的個體比率。也就是說同樣的基因型在一定的環(huán)境中有的個體表達了，而有的個體未得到表達。如具某顯性基因A的雜合體有100人，其中僅有30人出現相應的表型，則外顯率為30%;如100人都出現相應的性狀外顯率等于1，稱完全外顯;若外顯率小于1，稱不完全外顯。例如在黑腹果蠅中，隱性的間斷翅脈基因i的外顯率只有90%，那也就是說只有90%的ii基因型個體有間斷翅脈，而其余10%的個體是野生型，但它們的基因型仍然都是ii。

2.表現度

表現度(expressivity)指具相同基因型的個體間基因表達的變化程度。例如多指是由顯性基因控制的，帶有一個顯性基因的人都會出現多指，但多出的這一手指有的很長，有的很短，甚至有的僅有一個小小突起。又如Waardenburg綜合征Ⅰ型中，PAX3基因突變產生的典型表現是額部白發(fā)，眼距增寬，虹膜異色，但有20%不到的病例有嚴重的聽力喪失。有些帶有異常等位基因的家庭成員除了額部白發(fā)外無其他表現，然而他們的子女可因同一突變而有嚴重的先天性耳聾，較罕見者，表現度很低而無臨床異常可見，但他可把異常等位基因傳給后代，使其產生所有臨床癥狀。

3.表型模擬

表型模擬(phenocopy)是指由于環(huán)境的影響導致表型與某種基因型的表型很相似的現象。例如在1959～1961年間，人們發(fā)現新生兒發(fā)生短肢畸型的概率大大增加了。這種畸型原本是受顯性等位基因控制的，這個基因抑制了四肢長骨的發(fā)育，使新生兒發(fā)生短肢畸型。然而遺傳學家隨后發(fā)現并非所有患病新生兒均有致病基因，他們發(fā)現很多發(fā)現患病新生兒的母親在妊娠35～50天服用了鎮(zhèn)靜劑反應停，而這種藥也會使新生兒產生同樣的表型。

4.持久飾變

持久飾變(dauermodification)指由環(huán)境條件所誘發(fā)的性狀變異在沒有誘導刺激的情況下仍可在子代中保持一段時間，隨后便逐漸減弱以致消失的現象。1921年V.Jollos發(fā)現以某些條件(如高鈣溶液)對草履蟲進行處理時，當處理條件除去后，由處理產生的變異可在以后世代中持續(xù)一段時間，但隨著世代的增加最終會漸漸減弱，以至消失。