普通遗传学：第二章 MENDEL分析

第二章 Mendel分析 奥地利神甫约翰?格里戈?孟德尔(Johann Gregor Mendel，1822~1884)：

根据前人的工作和他自己进行了八年的豌豆杂交试验，于1866年发表了划时代的论文《植物杂交试验》，提出了遗传因子的概念和遗传因子分离和重组的假设。Mendal应用统计方法分析他的试验结果，提出了假设，又设计严密的试验验证了他的假设，这是人类对遗传现象的认识从单纯的描述第一次推进到了科学的分析验证。遗憾的是，Mendel的思想和理论远远超越了时代，使得他的工作当时没有得到世人应有的重视，以致被埋没了30多年。 第一节 基本概念 1、性状 遗传学中把生物体所表现出来的形态特征和生理生化特征统称为性状(character)。这里所说的性状是统称，也可以说是一个抽象概念，是指生物体的总的表现型特征。 2、单位性状 把生物体的性状总体区分为各个单位才能进行详细的研究，这样区分开来的性状叫做单位性状(unit character)。如：动物的毛色，昆虫翅的大小，植株的花色、高度、抗病性，人的发色、肤色等，都是单位性状 3、相对性状 同一单位性状的不同的表现类型叫做相对性状(contrasting character)。如水稻的植株高度是一个单位性状，表现类型有高株、有矮株，高与矮为相对性状。豌豆的花色是一个单位性状，表现类型有红花、白花，红花与白花为一对相对性状。再如，果蝇的翅有长翅、短翅之分，猪的毛色有白、黑之分，等等。 只有在单位性状上有明显的相对差异，才能通过杂交试验对其后代的遗传表现进行对比分析和研究，从而了解相对性状的遗传差异，找出该单位性状的遗传规律。 4、表现型与基因型 1）基因型(genotype)： 细胞内基因的组合称为基因型。基因型是性状表现必须具备的内因，即遗传的物质基础。如，CC和Cc基因型决定花的颜色是红色，cc基因型决定花为白色。 2）表现型(phenotype)： 人们所能见到或用仪器设备能够检测到的性状称为表现型。表现型是基因型在外界环境条件作用下的具体表现，基因型是表现型的内在遗传基础。基因型是不能直接观察的，只有通过表现型才能推测基因型。 CC和cc两个基因型中成对的基因都是相同的，在遗传学中称为纯合基因型(homozygous genotype)，携带纯合基因型的个体称为纯合体(homozygote)。在Cc基因型中，成对的基因不相同，一个为显性基因，一个为隐性基因，称为杂合基因型(heterozygous genotype)，携带杂合基因型的个体称为杂合体(heterozygote)。 纯合体与杂合体在遗传行为上是不一样的。一对基因的纯合体只能产生一种配子，自交子代还是纯合体，其性状不会发生分离，表现为遗传上的稳定性。而一对基因的杂合体能产生两种配子，自交子代就会出现不同的基因型和不同的表现型，表现为遗传上的不稳定性。 5、杂交方法 名词 亲本世代(parental generation, P)：杂交时的双亲世代。 子一代(first filial generation, F1)：由亲本世代杂交所产生的第一代。 子二代(second filial generation, F2)：由F1代自交或杂交所产生的下一代。 回交：杂种一代(F1)与亲本之一的杂交组合称为回交。 测交(test cross)：F1（待测个体）与隐性个体杂交，从杂交后代的表现型种类及其比例推测被测个体是纯合基因型还是杂合基因型，这样的杂交组合称为测交。 正反交(reciprocal cross)：第二个杂交与第一个杂交的双亲相同只是性别互换。 6、“定量”研究方法 在Mendel以前，许多科学家也曾试图解答生物性状是如何遗传的问题。他们也进行过植物杂交和动物杂交试验，然后观察子代和亲代之间的相似性。然而，其结果多是令人迷惑不解的：子代的有些性状象一个亲本，有些性状又象另一个亲本，有些性状则与哪一个亲本都不象。找不到明显的规律性。 在那些早期研究者失败的领域内，Mendel却取得了圆满的成功。这应归功于他卓越的洞察力和正确的方法学。他每次试验只注意单一的性状，他的研究工作的另一个重要特点是采用了“定量”研究方法(quantitative approach)。 这种遗传学分析方法（统计杂交子代中每一类个体的数目）现在仍在使用。事实上这是分子遗传学诞生以前唯一的遗传学分析方法。除了成功的方法学以外，Mendel在构思理论框架时具有高度的独创性，他用假设的理论来阐明实验结果，又设计适合的实验来验证假设。虽然Mendel的理论是作为一种假说提出来的，但他阐述得相当完美，时间已经证明这个理论基本上是正确完美的。Mendel的实验和著作即使用今天的标准来衡量也是科学研究的卓越典范。 第二节 Mendel豌豆杂交试验（一） ————Mendel第一定律 又叫分离规律(law of segregation) 实验的思维方法：
使用数学方法推断实验结果与假设间的一致性 再以新的实验验证假设的正确性 一、实验材料： 豌豆
Mendel先从市场上买了34种不同的豌豆，种了两年，从中选出了22个在遗传上稳定的品种（品系）进行详细观察。这些品种的性状都很稳定，是真实遗传的，很符合他的试验要求。他用这些豌豆进行了8年(1856~1864)的杂交试验，获得了重要的成果。 选择豌豆的理由： 1）．具有稳定的可以区分的相对性状，七对： 花的颜色：红花和白花 种子的形状：圆的和皱的 子叶的颜色：黄色和绿色 未成熟豆荚的颜色：绿色和黄色 成熟豆荚的形状：饱满的和不饱满的 花的着生位置：腋生和顶生 茎蔓的高度：高的(2m±)和矮的(小于0.5m)
2）．自花授粉植物，而且闭花授粉，便于纯化，也没有外来花粉的干扰。 3）．豆荚成熟后子粒都留在豆荚中，便于准确记数。 4)．价格便宜、占地少、世代短、后代多。 他选用具相对性状的品种作为亲本，分别进行杂交，并按照杂交后代的系谱进行详细的记载，采用统计学的方法分析杂种后代表现相对性状的株数并计算其比例关系。 二、实验设计： 名词 纯系(pure line)：经多代自交或长期近交（动物）所获得的高度自交系。 ①实验材料的纯化：获得纯系。 ②严格的实验规程，详细的实验记录。 ③选择7对纯系，每一对仅在一个性状上不同（变异性）。 三、实验结果： ①杂交：

P 白花×紫花 P 紫花×白花 ↓ ↓ F1 紫花 F1 紫花 ↓ F1 紫花×紫花(F1代自交) ↓ F2 紫花+白花 白花重又出现！ 上述实验中Mendel划时代的贡献是： 他计数了每一表型的植株数 ━ 标志现代遗传学的开始！！！ 计数结果：在F2中紫花705株+白花224株 近似3∶1。 ②以另外6对性状重复杂交实验，在F2中得到类似结果。
名词 显性性状(dominant character)：由两个具有相对性状的纯系杂交，F1代表现出的性状称为显性性状。 隐性性状(recessive character)：在上述杂交中，F1代未表现的性状称为隐性性状。 ③进一步杂交：以黄种子和绿种子杂交 P 黄×绿 ↓ F1 黄（全部） ↓自交 F2 6022粒黄 ∶ 2001粒绿 自交其中519株 自交 F3 166株 只有黄粒 全部绿粒 353株 3黄∶1绿 ④分析： ⑴ F2代中的绿粒都是纯绿粒，象亲本之一。 ⑵ F2代黄粒中有1/3类似纯黄亲本。 ⑶ F2代黄粒中有2/3类似F1代黄粒亲本。 四、提出假设： ①存在一种颗粒性质的遗传决定子(因Mendel未见到表型融合)，我们现在称为基因(gene)。 ②豌豆的每一性状都由一对基因决定，它们存在于植株的每一细胞中。F1代必定含有一个称为显性基因的基因，由它控制显性表型；还必须含有一个称为隐性基因的基因，由它控制隐性表型，隐性表型只有在以后的世代中才表现出来。 ③在形成配子时，每一对基因均等地分配到配子中。 ④每个配子只包含一对基因中的一个。 ⑤合子形成时，雌雄配子的结合是随机的，一个来自父本、一个来自母本。 对于5点假设，Mendel以A代表显性基因（决定黄粒），以a代表隐性基因（决定绿粒），用一般化图式表示如下：─正象数学家所为！ P AA × aa 点①和点② 性细胞 只有A 只有a 点④ F1 Aa (合子)  产生的卵 点③    1/2 A 1/2 a   产生的精子 1/2 A 1/4 AA 1/4 Aa 点⑤   1/2 a 1/4 Aa 1/4 aa    五、检验假设： Mendel以F1黄粒为母本，绿粒为父本，基因型分别记为：Yy和yy。他做了以下预言： F1 Yy × yy （黄） （绿） 配子 1/2 Y + 1/2 y y y  1/2 y 1/2 yy = 绿粒  1/2 Y 1/2 Yy = 黄粒  实际杂交的结果得到58黄粒：52绿粒，证实了他的预言。 六、结论： Mendel第一定律━均等分离定律(equal segregation)：一个基因对的两个基因，在配子形成时，彼此分开，分别进入配子中，其结果半数配子携带这一对基因中的一个，另一半携带另一个。 意义： 1．具有普遍性：二倍体生物均符合。
2．杂合体不能留作种子，因为后代发生分离。 名词 杂合子(heterozygote)：个体中决定一个性状的两个基因是不相同的。 纯合子(homozygote)：个体中决定一个性状的两个基因是相同的。 纯合显性(homozygous dominance)：由两个相同的显性基因所产生的显性性状。 测交(test cross)：由杂合子与隐性基因纯合子所做的杂交。 主效基因(major gene)：任何一个与明显表型发生相关的基因，其行为符合Mendel法则。 等位基因(allele)：决定某一表型的一对基因，（它们位于染色体的相同座位上）。 第三节 Mendel豌豆杂交试验（二） ————Mendel第二定律 Mendel在说明了一对相对性状的遗传规律后，从简单到复杂，进一步研究了两对相对性状的遗传。 又叫独立分配规律(law of independent assortment)、自由组合定律，指形成包含两对以上相对性状杂种时，各对性状之间各自独立地发生自由组合。 一、基本概念 名词 单性杂种杂交(monohybrid cross)：在同一基因座位上等位基因不同的两个亲本间的杂交(如AA×aa)。 双性杂种杂交(dihybrid cross)：在两个基因座位上等位基因不同的两个亲本间的杂交(如AABB×aabb)。 实验设计及结果： P yyRR × YYrr （绿圆） （黄皱） 配子 yR Yr F1 YyRr （黄圆） 自交 556粒 315粒 黄圆 9 16   108粒 绿圆 3    101粒 黄皱 3     32粒 绿皱 1   双性杂种杂交分析： 黄粒 = 315 +101 = 416 绿粒 = 108 + 32 = 140 黄∶绿 = 3∶1 Mendel的结论：籽粒颜色和籽粒形状的遗传系统是独立的，9∶3∶3∶1就是数学上的两个3∶1的自由组合。 二、概率法则 1）、概率：P =期望发生的事件数/全部可能的事件数 2）、乘法法则：两个相互独立事件A和B，如黄绿与满皱，同时出现A和B的概率是各自概率的乘积 P(AB)=P(A) × P(B) 3）、加法法则：两个互不相容事件A和B，如黄与绿，出现A或B的概率是各自概率之和 P(A或B)=P(A) + P(B) 三、概率法则与Mendel实验 1）、基因R或r在进入配子时独立于基因Y或y。 2）、P(Y配子) = P(y配子) = 1/2 P(R配子) = P(r配子) = 1/2 3）、对于RrYy，依乘法法则，形成不同种配子的概率为： P(RY) =1/2×1/2 =1/4 P(Ry) = 1/2×1/2=1/4 P(rY) = 1/2×1/2=1/4 P(ry) = 1/2×1/2=1/4 4）、punnett方（棋盘式）  雄配子    1/4 RY 1/4 Ry 1/4 ry 1/4 rY  雌 配 子 1/4 RY 1/16 RRYY 1/16 RRYy 1/16 RrYy 1/16 RrYY   1/4 Ry 1/16 RRYy 1/16 RRyy 1/16 Rryy 1/16 RrYy   1/4 ry 1/16 RrYy 1/16 Rryy 1/16 rryy 1/16 rrYy   1/4 rY 1/16 RrYY 1/16 RrYy 1/16 rrYy 1/16 rrYY  用概率加法法则，将同类表型归类，可得： 9黄圆∶3绿皱∶3黄皱∶1绿圆 注意！圆(皱)和黄(绿)是相互独立的， 这一点至关重要！ 5）、结论：Mendel第二定律： 在配子形成期间，不同基因的分离是相互独立的，称为自由组合(independent assortment)。 6）、验证：他用双隐性纯合子对双性杂种进行测交，他预言测交结果如下： 1/4 RY 1/4 Ry 1/4 rY 1/4 ry  ry 1/4 RrYy 1/4 Rryy 1/4 rrYy 1/4 rryy  实验结果证实了他的预言。 7）、卡平方检测 卡平方(χ2)表示为实得数与理论数的差异： (实得数-理论数)2 χ2=Σ----------------------- Σ为积加符号。 理论数 然后查χ2表，得数为χ2p,df 其中：df为自由度。为子代分类数(n)-1 p为一定自由度下χ2大于χ2p,df的概率 df p 0.95 0.1 0.05 0.01  1 0.0039 2.71 3.84 6.64  2 0.103 4.61 5.99 9.21  3 0.352 6.25 7.82 11.35  4 0.711 7.78 9.49 13.28  5 1.145 9.24 11.07 15.09  10 3.940 15.99 18.31 23.21  因此， 若χ2<χ2p,df 则表示为1-p范围内实得数接近理论数 若χ2>χ2p,df 则表示为1-p范围内实得数不接近理论数 举例： 黄粒 = 416，绿粒 = 140 检测是否符合黄∶绿 = 3∶1 ？ 解答： 总粒数= 416+140=556 预计黄∶绿 = 3∶1，则 预测黄粒=556×0.75=417 预测绿粒=556×0.25=139 (416-417)2 (140-139)2 χ2= --------------- + -------------- 417 139 =0.0096 <6.64 (χ20.01, 1) 即1-0.01=0.99=99%范围内接近理论数， 黄∶绿 = 3∶1 统计上认为95%为显著，99%为极显著 卡平方检测的原理： 1．设立无效假设 假设观察值与理论值差异由误差引起 2．χ2p,df分布
χ2p,df值愈大，则由误差引起的概率(p)愈小 即p值愈小，χ2p,df愈大 3．依χ2值接受或否定无效假设 若χ2>χ2p,df，则在p下接受误差，即p概率下无效假设成立，即1-p下，有效假设不成立 若χ2<χ2p,df，则在p下不接受误差，即p概率下无效假设不成立，即1-p下，有效假设成立 四、两对以上等位基因的自由组合 1）、分支图：F1自交F2表型的构成，可由以下分支图得到。 3/4 R -  3/4 Y -  9/16 R – Y -    1/4 yy  3/16 R -yy  1/4 rr  3/4 Y -  3/16 rr Y -    1/4 yy  1/16 rryy  2）、用概率乘法法则：以下两个基因型个体杂交 AaBbCcDdEeFf × AaBbCcDdEeFf 问：P(AabbCcDDeeFf) = ? P(AabbCcDDeeFf) = 1/2×1/4×1/2×1/4×1/4×1/2 = 1/512 第四节 Mendel定律的实际应用 分离规律是遗传学中最基本的规律，这一规律从理论上说明了生物界由于杂交和分离所出现的变异的普遍性。 了解基因分离的规律，不仅可以正确认识生物的遗传现象，而且根据基因分离规律，显隐性的表现规律，在农业生产实践上能增加培育优良品种的计划性和预见性，在医学实践中对了解遗传病的遗传规律，减轻危害都是很有用的。 一、解释生物的遗传多样性 生物变异的原因很多，基因之间的自由组合是生物性状多样性的重要原因之一。 按照独立分配规律，在显性作用完全的条件下，亲本间有两对基因差异，F2有22=4种表现型，32=9种基因型。 4对基因差异，24=16种表现型，34=81种基因型 8对基因差异，28=256种表现型，38=6561种基因型 20对基因差异，F2有220=1048576种表现型，320=3486784401（34亿多）种基因型。 这说明，杂交造成基因的重新组合，是生物界多样性的重要来源。生物有了丰富的变异类型，可以广泛适应于各种不同的自然条件，有利于生物的的进化。这是独立分配规律的理论意义。 二、人类中Mendel遗传现象 1、家谱分析 2、隐性遗传病 3、显性遗传病 名词 家(系)谱(pedigree)：用来表示祖先或血缘关系的格式。是人类遗传学研究的重要手段。 先证者(propositus)：家系中最先发现遗传疾病的个体。 受累者(affected)：家系中遗传疾病的患者。
黑白斑——1991年描述的、在挪威发现的、罕见的全身皮肤白斑病，在黑色皮肤上出现大小不同的白斑。
三、在农业中的应用 在实践上，掌握独立Mendel分配规律，可以大大增强育种工作的计划性和预见性，指导动植物育种工作。 例如，若两个番茄品种，一个是抗病的黄果肉(ssrr)，双隐性，另一个是感病的红果肉(SSRR)，双显性。要想得到一个抗病的、红果肉的纯合品种(ssRR)，根据Mendel独立分配规律，在F1中不会有抗病红果肉植株出现，F2中抗病红果肉的表现型比例为3/16，在这3/16中，只有1/3是ssRR纯合体，2/3是ssRr杂合体，在表现型上无法区分，只有分别种植F3代再来选择，纯合体ssRR在F3不分离，杂合体ssRr在F3则继续分离，要想在F3中得到10个稳定的抗病红果肉的纯合株系个体，那么F3至少应种植30个株系，也就是说至少要在F2代中选择30株抗病红果肉的植株，供F3株系鉴定。要种植多少株F2才能选到30株呢？