第03章孟德爾遺傳定律

第三章

孟德爾遺傳定律

Mendel’sprinciplesGregorJohannMendel(1822-1884)Bornin1822，奧地利布隆(Brünn)，現捷克布爾諾(Brno)，Monastery1857~1864年連續(xù)做了8年豌豆的雜交試驗，提出了遺傳因子假說及其分離與自由組合規(guī)律論文“植物雜交試驗”1865年2月8日和3月8日先后兩次在布隆自然科學會上宣讀，1866年發(fā)表在《布隆自然科學會志》第4卷上遺傳學的偉大奠基者——

GregorJohannMendel孟德爾試驗的成功之處選用適當的試驗材料

從豆科植物中選擇了自花授粉且是閉花授粉的豌豆作為雜交試驗的材料，并進行了品種和性狀的選擇精心設計的實驗方法

采取單因子分析法，即分別觀察和分析在一個時期內的一對性狀的差異，最大限度地排除各種復雜因素的干擾嚴格的統(tǒng)計分析方法——定量分析法

對雜交實驗的子代中出現的性狀進行分類、計數和數學歸納，找出其規(guī)律性首創(chuàng)了測交方法

采用這種方法證明了其因子分離假設的正確性達爾文于1859年發(fā)表的自然選擇學說及其所引起的爭論吸引了過多的注意力孟德爾思想的超前性顆粒遺傳觀念、統(tǒng)計分析方法、嚴密的邏輯思維等都超出了同時代學者們的理解和接受能力遺傳因子僅僅是一個抽象概念。當時對生物有性生殖過程及其機制知之基少，連染色體也是1888年才命名的孟德爾定律普遍適用性的研究遇到挫折并不能用遺傳因子假說來解釋蜜蜂、山柳菊屬植物等的遺傳現象孟德爾定律長期不被接受的原因孟德爾定律的重新發(fā)現與證實1900年之后，孟德爾規(guī)律重新發(fā)現并被廣泛接受首先，自然選擇學說的地位已經基本確立。人們在對其進行完善的同時必然將注意力放到生物性狀變異的產生和傳遞這一遺傳學問題上來其次，細胞學對生物有性生殖的研究取得重要進展1875，Hertwig，受精過程1891，Boveri，描述減數分裂，聯會過程再者，人們分別以不同的生物為研究對象，重復孟德爾的雜交試驗，得到相似的結果，并可用遺傳因子假說解釋，表明孟德爾遺傳因子假說及其分離規(guī)律是絕大多數有性生殖生物性狀遺傳的基礎3.1分離定律(thelawofsegregation)3.1.1孟德爾的豌豆雜交試驗有關概念（concernedconcept）性狀(character/trait)：生物體所表現的形態(tài)特征和生理特性的總稱。最初人們在研究生物遺傳時往往把所觀察到的生物所有特征或某一類特征作為一個整體看待單位性狀(unitcharacter)：把性狀總體區(qū)分為各個單位，這些被區(qū)分開的每一個具體性狀稱為單位性狀相對性狀(contrastingcharacter)：同一單位性狀在不同個體間所表現出來的相對差異，稱為相對性狀Thesevenpairsofcharacteristicsin

gardenpeasthatMendelstudied植物雜交試驗的符號表示

P：親本(parent)，雜交親本；♀：母本，提供胚囊的親本♂：父本，提供花粉粒的親本×：表示人工雜交過程

：表示自交F1：表示雜種第一代F2：F1代自交得到的種子及其所發(fā)育形成的的生物個體F3、F4……：依此類推F1全部為開紅花植株F2有開紅花和開白花兩種植株類型，且紅花與白花植株比例接近3:1表明F1、F2的性狀表現不受親本組合方式的影響，與哪一個親本作母本無關正交和反交F1植株的花色仍全為紅色；F2紅花與白花植株比例也接近3:1孟德爾的豌豆雜交實驗7對性狀的結果豌豆表型F1F2F2比例圓形×皺縮子葉圓形5474圓1850皺2.96︰1黃色×綠色子葉黃色6022黃2001綠3.01︰1紫花×白花紫花705紫224白3.15︰1膨大×縊縮豆莢膨大882鼓299癟2.95︰1綠色×黃色豆莢綠色428綠152黃2.82︰1花掖生×花頂生花掖生651掖生207頂生3.14︰1高植株×矮植株高植株787高277低2.84︰1F1代所有植株的性狀表現都是一致的，都只表現一個親本的性狀在F1代表現出來的相對性狀稱為顯性性狀(dominantcharacter)，而在F1中未表現出來的相對性狀稱為隱性性狀(recessivecharacter)在F2代中初始親代的兩種性狀(顯性和隱性)都能得到表達，且顯性︰隱性＝3︰1隱性性狀在F1中并沒有消失，只是被掩蓋了，在F2代顯性性狀和隱性性狀都會表現出來，這就是性狀分離(charactersegregation)現象3.1.2分離現象的解釋基因(Gene)：Johannsen于1909年提出，用以取代孟德爾所提出的遺傳因子。是位于染色體上，具有特定核苷酸順序的DNA片段；是儲藏遺傳信息的功能單位，基因可以發(fā)生突變，基因之間可以發(fā)生交換。

隨著分子生物學和分子遺傳學的不斷進步，特別是由于DNA克隆和核苷酸序列分析技術，以及核酸分子雜交等實驗手段的發(fā)展，使我們能夠從分子水平上研究基因的結構與功能，發(fā)現了“移動基因”、“斷裂基因”、“假基因”、“重疊基因”等有關基因的新概念，從而豐富了我們對基因本質的認識Concernedconcept基因座(locus)：基因在染色體上所處的位置。特定的基因在染色體上都有其特定的座位等位基因(alleles)：在同源染色體上占據相同座位的兩個不同形式的基因顯性基因(dominantgene)：在雜合狀態(tài)中，能夠表現其表型效應的基因，一般以大寫字母表示隱性基因(recessivegene)：

在雜合狀態(tài)中，不表現其

表型效應的基因，一般以

小寫字母表示基因型(genotype)：個體或細胞的特定遺傳(基因)組成。如CC、Cc、cc表現型(phenotype)：生物體某特定基因所表現出來的性狀。如紅花和白花等純合體(homozygote)：基因座上有兩個相同的等位基因，就該基因座而言，該個體或細胞稱純合體，或稱基因的同質結合，如CC、cc雜合體(heterozygote)：基因

座上有兩個不同的等位

基因，或稱基因的異質

結合，如Cc基因型與表現型的相互關系基因型是生物性狀表現的內在決定因素，基因型決定表現型表現型是基因型與環(huán)境條件共同作用下的外在表現，往往可以直接觀察、測定；而基因型往往只能根據生物性狀表現來進行推斷有一株豌豆A開紅花，如何判斷它的基因型？真實遺傳(Truebreeding)：子代性狀永遠與親代性狀相同的遺傳方式，如cc×cccc或cc自交回交(Backcross)：雜交產生的子一代(F1)個體再與其親本進行交配的方式測交(Testcross)：雜交產生的子一代(F1)個體再與其隱性親本進行交配的方式，是測驗子代個體基因型的一種回交孟德爾的假設性狀是由顆粒性的遺傳因子(基因)決定的每個植株有一對等位基因控制每一對相對性狀。即基因是成雙成對存在的每一對基因的成員均等地分配到配子(gametes)中去每一個配子只含有每對基因中的一個每一對基因中，一個來自父本，一個來自母本。在形成下一代新的個體(或合子)時，配子的結合是隨機的分離現象的解釋F1F2基因型比1CC:2Cc:1ccF2表現型比3(紅)：1(白)分離定律(thelawofsegregation)控制性狀的一對等位基因在雜合狀態(tài)時互不污染，保持其獨立性，在產生配子時彼此分離，并獨立地分配到不同的配子中去3.1.3分離規(guī)律的驗證一個正確的理論，首先要能解釋已知的現象，其次要能對未知事物作出理論推斷(預測未知)，并通過試驗來檢驗推斷結果，這是科學理論的一般驗證過程遺傳因子分離行為僅是基于豌豆7對相對性狀雜交試驗中所觀察到的F1、F2個體表現型及F2性狀分離現象作出的一種假設。遺傳因子的物質實體是什么？如何實現分離？測交法自交法F1花粉鑒定法測交法(testcross)測交子代表現型的種類和比例反映了被測個體所產生的配子種類和比例，從而可確定被測個體的基因型Mendel用雜種F1與白花親本測交，結果在166株測交后代中85株開紅花，81株開白花，其比例接近1:1分離規(guī)律對雜種F1基因型(Cc)及其分離行為的推測是正確的自交法(testcross)F1花粉鑒定法3.1.4分離比例實現的條件F1自交后代分離比為3:1，測交后代分離比為1:1研究的生物體是二倍體F1個體形成的兩種配子的數目是相等的或接近相等，并且兩種配子的生活力是一樣的；受精時各雌雄配子都能以均等的機會相互自由結合不同基因型的合子及由合子發(fā)育的個體具有同樣或大致同樣的存活率研究的相對性狀差異明顯，顯性表現是完全的雜種后代處于相對一致的條件下，且試驗的群體較大3.2獨立分配定律

(thelawofindependentassortment)又稱“自由組合定律”，兩對及兩以上相對性狀(等位基因)在世代傳遞過程中表現出來的相互關系3.2.1兩對相對性狀的遺傳黃色對綠色為顯性，圓形對皺縮為顯性，兩對性狀各自均遵循分離規(guī)律兩對相對性狀的基因在子一代雜合狀態(tài)(YyRr)雖同處一體，但互不混淆，各自保持其獨立性形成配子時，同一對基因Y、y(或R、r)各自獨立地分離，分別進入不同的配子中去；不同對的基因則是自由組合的按概率的乘法定律，出現9:3:3:1的比例，可如下表示：

3黃：1綠

×3圓：1皺.9黃圓：3黃皺：3綠圓：1綠皺3.2.2獨立分配現象的解釋Punnettsquare棋盤式方格獨立分配定律兩對基因在雜合狀態(tài)時，保持其獨立性，互不污染。形成配子時，同一對基因各自獨立分離，不同對基因則自由組合3.2.3獨立分配規(guī)律的驗證測交驗證YyRr×yyrr?YR?yR?Yr?yryr理論結果?YyRr(黃圓)實際結果55495152?yyRr(綠圓)?Yyrr(黃皺)?yyrr(綠皺)分枝法3.2.4多對基因的遺傳兩對基因在雜合狀態(tài)AaBb時，F1的配子種類為2n=4種；F2的基因型種類：32=9，比例：(1:2:1)2=1:2:1:2:4:2:1:2:1F2的表現型種類：22=4，比例：(3:1)2=9:3:3:1遺傳因子假說

(Hypothesisoftheinheritedfactor)生物性狀由遺傳因子控制親代傳給子代的是遺傳因子(A,a….)遺傳因子在體細胞內成雙(AA,aa),在生殖細胞內為單(A,a)雜合子后代體細胞內具有成雙的遺傳因子(Aa)等位的遺傳因子獨立分離,非等位遺傳因子間自由組合地分配到配子中否定了泛生論，獲得性遺傳理論，融合遺傳假說

奠定了

顆粒遺傳理論

(theoryofparticulateinheritance)提出了

遺傳因子的分離規(guī)律(Lawofsegregation)遺傳因子的獨立分配規(guī)律

(Lawofindependentassortment)缺乏細胞在有絲分裂和減數分裂過程中染色體行為的有力證據3.3遺傳的染色體學說孟德爾基因和減數分裂中染色體的平行行為遺傳因子(基因)位于染色體上成對基因分別位于同源染色體的對應位置上ChromosometheoryofheredityW.S.Suttonand

T.Boveri，19031910年摩爾根等利用果蠅為研究材料，直接證明了這一學說的正確性3.4遺傳學數據的統(tǒng)計分析3.4.1概率原理概率(probability)：指一定事件總體中某一事件可能出現的幾率。P(A)=lim(nA/n)概率的乘法定理：兩個獨立事件同時發(fā)生的概率等于各個事件發(fā)生的概率的乘積。P(A·B)=P(A)×P(B)概率的加法定律：兩個互斥事件同時發(fā)生的概率等于各個事件各自發(fā)生的概率之和。P(A或B)=P(A)+P(B)3.4.2遺傳比率的計算是一種最簡單最直接的計算雜交后代遺傳比率的方法。不適合多對基因的組合根據乘法定理，F2產生16種組合方式根據加法定理?；蛐蚘YRr出現的概率是1/16+1/16=2/16棋盤法分枝法(branchingprocess)先依次分析各對基因/相對性狀的分離類型與比例(概率)，然后再把這些概率相乘Yy×YyRr×Rr后代基因型及其比例?YY?Yy?yy?RR?Rr?rr1/16YYRR2/16YYRr1/16YYrr?RR?Rr?rr?RR?Rr?rr2/16YyRR4/16YyRr2/16Yyrr1/16yyRR2/16yyRr1/16yyrrRrYy自交后代中全部基因型的概率Yy×YyRr×Rr后代表型及其比例?黃色?圓形?皺縮9/16黃圓3/16黃皺3/16綠圓1/16綠皺?綠色?圓形?皺縮RrYy自交后代的表現型及其比例多對基因雜交中某種基因型或表型出現概率的計算五對基因的雜交組合AABbccDDEe×AaBbCCddEe，求后代中基因型為AABBCcDdee和表型為ABCDe的概率PAA×AaBb×Bbcc×CCDD×ddEe×Ee基因型

AABBCcDdee概率P=

1/2×1/4×1×1×1/4

=1/32表型ABCDe概率P=

1×3/4×1×1×1/4

=3/163.4.3二項式展開式及其應用用于分析兩對獨立事件(非此即彼)在多次試驗中每種事件組合發(fā)生的概率設A、B為兩對立事件，P(A)=p，P(B)=q，p+q=1n：估測其出現概率的事件數r：在n次事件中A事件出現的次數n-r：在n次事件中B事件出現的次數二項式展開式為：二項分布的概率密度函數，可用于推算其中某一事件出現的概率雜種自交后代群體基因型結構分析YyRr自交A：F2中出現顯性基因(Y或R)，P(A)=p=1/2B：F2中出現隱性基因(y或r)，P(B)=q=1/2n：基因個數，n=4(p+q)n=(?+?)4=(?)4+4(?)3(?)+6(?)2(?)2+4(?)(?)3+(?)4

=1/16+4/16+6/16+4/16+1/16出現4顯性基因的概率為1/16；3顯性1隱性為4/16；2顯性2隱性為6/16；1顯性3隱性為4/16；4隱性為1/163顯性1隱性基因個體出現的概率n=4，r=3，n-r=1雜種自交后代群體表現型結構分析YyRr自交A：F2表現為顯性性狀(黃、圓)，P(A)=p=3/4B：F2表現為隱性性狀(綠、皺)，P(B)=q=1/4n：相對性狀對數，n=2(p+q)n=(?+?)2=(?)2+2(?)(?)+(?)2

=9/16+6/16+1/16YyRrCc自交(p+q)n=(?+?)3=(?)3+3(?)2(?)+3(?)(?)2

+(?)3

=27/64+27/64+9/64+1/643.4.4

2檢驗概率定理及二項式公式用于推算理論比例，而

2測驗則是用于測定試驗結果是否符合理論比例O：實測值，E：理論值按公式計算

2值用統(tǒng)計參數值

2與查表得到的

2,df

相比較

為臨界概率值。0.05為顯著水平，0.01為極顯著水平df為自由度，df=k-1，k為子代表現型的數目當

2<2,df

，結果與理論比例相符，反之則不相符

或直接從表中查得

2值對應概率值P(

2)，當P(

2)>0.05時，表示結果與理論比例相符番茄紫莖缺刻葉(AACC)植株和綠莖馬鈴薯葉植株(aacc)雜交F2代得到454株植株，其中紫莖缺刻葉247，紫莖馬鈴薯葉90，綠莖缺刻葉83，綠莖馬鈴薯葉34，判斷其是否符合9:3:3:1的理論比率？紫莖缺刻葉紫莖馬鈴薯綠莖缺刻葉綠莖馬鈴薯實測值O247908334理論值E255.485.185.128.4(O-E)270.5624.014.4131.36(O-E)2/E0.280.280.051.10df=4－1=3；查

2表知

20.05,3

=7.82，1.71<7.82統(tǒng)計學上認為在5%顯著水準上差異不顯著，遺傳學上認為該雜交試驗符合9:3:3:1的理論比率3.5人類簡單

孟德爾遺傳Symbolsusedinhumanpedigreeanalysis孟德爾定律在很多生物中都得到證實，對整個生物界具有普遍意義，人類中也不例外。人類單基因遺傳性狀和遺傳病約有4344種(1988)研究人類遺傳學的方法不同于其他生物體，通常用系譜分析法

(pedigreeanalysis)雙親之一為患者，而且常為雜合子子女中有1/2可能性發(fā)病，男女發(fā)病機會相等連續(xù)幾代都可能有患者正常人與正常人婚配，

其子女一般不會有患者常染色體單基因顯性遺傳如多指癥、侏儒病、亨廷頓舞蹈病，先天性白內障等常染色體單基因隱性遺傳如PTC嘗味能力的遺傳、白化病、半乳糖血癥、全色盲、苯丙酮尿癥、早老癥等患者雙親無病，但都是致病基因攜帶者子女中有1/4可能性發(fā)病，男女發(fā)病機會相等系譜中看不到連續(xù)幾代的遺傳，是散發(fā)性的近親結婚發(fā)病率高3.6孟德爾規(guī)律的補充和發(fā)展3.6.1遺傳與環(huán)境生物的絕大多數性狀是遺傳與環(huán)境共同作用的結果影響性狀表現的環(huán)境分外界環(huán)境和內環(huán)境(生理環(huán)境)兩方面。不同性狀受環(huán)境影響的程度不同同種基因型處于不同的遺傳背景中，可能會表現出不同的性狀，等位基因間的顯隱性關系也可能發(fā)生改變相同基因型個體處于不同外界環(huán)境中，也可能產生不同的性狀表現反應規(guī)范反應規(guī)范(normofreaction)：指某一特定基因型個體在不同環(huán)境中所顯示出的表型變化范圍如果蠅在不同的溫度下復眼發(fā)育大小不同果蠅中控制復眼的三種基因型對不同溫度的反應規(guī)范10009008007006005004003002001009080706050015202530溫