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1、第三章 孟德尔遗传Chapter 3 Mendelian Inheritance 遗传因子假说、遗传因子分离遗传因子假说、遗传因子分离与自由组合规律及其发展与自由组合规律及其发展1孟德尔(Gregor J.Mendel,1822-1884)(Gregor J.Mendel,1822-1884)及其杂交试验v从1856-1871年进行了大量植物杂交试验研究；v其中对豌豆(严格自花授粉/闭花授粉)差别明显的7对简单性状进行了长达8年研究，提出遗传因子假说及其分离与自由组合规律(Mendels Laws)；v1865年2月8日和3月8日先后两次在布隆自然科学会例会上宣读发表；1866年整理成长达45
2、页的植物杂交试验一文，发表在布隆自然科学会志第4卷上。奥地利布隆(Brnn)现捷克布尔诺(Bruo)2豌豆的7个单位性状及其相对性状3第一节 分离规律(p65-71)(p65-71)Section 3.1 The Law of Segregation一、一对相对性状的分离现象一、一对相对性状的分离现象二、二、分离现象的解释分离现象的解释三、基因型与表现型三、基因型与表现型四、分离规律的验证四、分离规律的验证五、基因分离的细胞学基础五、基因分离的细胞学基础六、分离规律的意义与应用六、分离规律的意义与应用4一、一对相对性状的分离现象(p65-66)(p65-66)v基础知识基础知识单位性状与相对性
3、状豌豆的7个单位性状及其相对性状孟德尔的豌豆杂交试验v(一一)、豌豆花色、豌豆花色杂交杂交试验试验v(二二)、七对相对性状杂交试验结果七对相对性状杂交试验结果v(三三)、性状、性状分离现象分离现象5单位性状与相对性状(p65)v生物体或其组成部分所表现的形态、生理或行为特征称为性状(character/trait)。v最初人们在研究生物遗传时往往把所观察到的生物所有特征或某一类特征作为一个整体看待。v孟德尔把植株性状总体区分为各个单位，称为单位性状(unit character)，即：生物某一方面的特征特性。v不同生物个体在单位性状上存在不同的表现，这种同一单位性状的相对差异称为相对性状(co
4、ntrasting character)。6豌豆的7个单位性状及其相对性状7孟德尔的豌豆杂交试验v所选择的七个单位性状的相对性状间都存在明显差异，后代个体间表现明显的类别差异；v按杂交后代的系谱进行的记载和分析，对杂交后代性状表现进行归类统计、并分析了各种类型之间的比例关系。8(一)、豌豆花色杂交试验v1.试验方法P 红花亲本()白花亲本()F1 杂种一代 (种植/性状观察/自交)F2 杂种二代 (种植/性状观察/自交)9植物杂交试验的符号表示(p66)：亲本(parent)，杂交亲本；：作为母本，提供胚囊的亲本；：作为父本，提供花粉粒的杂交亲本。：表示人工杂交过程；F1：表示杂种第一代(fi
5、rst filial generation)；：表示自交，采用自花授粉方式传粉受精产生后代。F2：F1代自交得到的种子及其所发育形成的生物个体称为杂种二代，即F2。由于F2总是由F1自交得到的所以在类似的过程中符号往往可以不标明。102.试验结果(p66)vF1(杂种一代)的花色全部为红色；vF2(杂种二代)有两种类型的植株，一种开红花，一种开白花白花；并且红花植株与白花植株的比例接近3:1。P P 红花红花()()白花白花()()F F1 1 红花红花 F F2 2 红花红花 白花白花株数株数 705 705 224224比例比例 3.15 3.15 1 1?11因此杂交种在生产上不能留种，
6、每年都应该重新配制杂交种。从1856-1871年进行了大量植物杂交试验研究；被测个体不仅仅是F1，可以是任一需要确定基因型的生物个体。隐性性状在F1中并没有消失，只是被掩盖了，而F2代显性性状与隐性性状都会得到表现，重新产生两种表现型个体，这就是性状分离(character segregation)现象。在遗传学史上是一个非常重要的理论进步，促进了人们对遗传物质本质的研究。将各株系分别种植，考察其性状分离情况。其次要能够对未知事物作出理论推断(预测未知)，并通过试验来检验推断结果。成对的基因互称为等位基因。基因型(genotype)指生物个体基因组合，表示生物个体的遗传组成，又称遗传型；遗传因
7、子假说、遗传因子分离与自由组合规律及其发展株数 705 224体细胞中成对遗传因子分别来自父本和母本。大田生产要求群体整齐一致才能获得最佳群体生产性能，从遗传上看就是要求各植株基因型相同(同质)。分离规律表明：体细胞中成对的基因并不相互融合，而是保持相对稳定，并相对独立地传递给后代；即使今天遗传研究方法得到了极大丰富，从各种方法之中仍然可以找到这些基本准则的影子。杂合体的性母细胞产生两个不同的二分体细胞，分别再进行减数第二分裂，每个杂种性母细胞产生含显性基因和隐性基因的四分体细胞各两个，其比例为1:1。3.反交(reciprocal cross)试验及其结果v孟德尔又用白花亲本作母本、红花亲本
8、作父本进行杂交，即：白花亲本()红花亲本()通常人们将这两种组合方式之一称为正交，另一种称为反交(reciprocal cross)。v反交试验结果：F1植株的花色仍然全部为红色；F2红花植株与白花植株的比例也接近3:1。v反交与正交结果完全一致，表明：F1、F2的性状表现不受亲本组合方式的影响(与哪一个亲本作母本无关)。12(二)、七对相对性状杂交试验结果13(三)、性状分离现象1.F1代个体(植株)只表现亲本之一的性状，而另一个亲本的性状隐藏不表现。亲本性状中，在F1代表现出来的相对性状称为显性性状(dominant character)，而F1中未表现的相对性状称为隐性性状(recess
9、ive character)。2.F2有两种的个体，一种表现显性性状，另种表现隐性性状；且表现两者个体数之比接近3:1。隐性性状在F1中并没有消失，只是被掩盖了，而F2代显性性状与隐性性状都会得到表现，重新产生两种表现型个体，这就是性状分离(character segregation)现象。14二、分离现象的解释(一一)、遗传因子假说遗传因子假说(二二)、遗传因子的分离规律、遗传因子的分离规律(三三)、豌豆花色分离现象解释、豌豆花色分离现象解释(四四)、豌豆子叶颜色遗传因子的分离与组合、豌豆子叶颜色遗传因子的分离与组合15(一)、遗传因子假说(p66-67)v孟德尔在对试验结果进行分析基础上提
10、出了遗传因子(inherited factor/determinant,hereditary determinant/factor)假说，认为：生物性状是由遗传因子决定，且每对相对性状由一对遗传因子控制；显性性状受显性因子(dominant)控制，而隐性性状由隐性因子(recessive)控制；只要细胞中有一个显性因子，生物个体就表现显性性状；遗传因子在体细胞内成对存在，而在配子中成单存在。体细胞中成对遗传因子分别来自父本和母本。16(二)、遗传因子的分离规律(p66-67)v遗传因子在世代间的传递遵循分离规律(the law of segregation)：(性母细胞中)成对遗传因子在形成配
11、子时彼此分离、分配到配子中，配子只含有成对因子中的一个。而杂种体细胞中，分别来自父母本的成对遗传因子也各自独立，互不混杂；在形成配子时彼此分离、互不影响。杂种产生含两种不同因子(分别来自父母本)的配子，并且数目相等；各种雌雄配子受精结合是随机的，因此两种遗传因子随机结合到子代中。17(三)、豌豆花色分离现象解释v孟德尔利用其遗传因子假说、分离规律对性状分离现象进行解释，认为：F2产生性状分离现象是由于遗传因子的分离与组合。18(四)、豌豆子叶颜色遗传因子的分离与组合19三、基因型(genotype)(genotype)和表现型(phenotype)(phenotype)基本概念基本概念(一一)
12、、基因型与表现型的相互关系基因型与表现型的相互关系(二二)、纯合纯合(homozygous)(homozygous)与杂合与杂合(heterozygous)(heterozygous)(三三)、生物个体基因型的推断生物个体基因型的推断20基因型(genotype)和表现型(phenotype)v根据遗传因子假说：生物世代间所传递的是遗传因子，而非性状本身；生物个体性状由细胞内遗传因子组成决定；因此，对生物个体而言就存在遗传因子组成和性状表现两方面特征。v1909年约翰生提出用基因(gene)代替遗传因子，成对遗传因子互为等位基因(allele)。在此基础上形成了基因型和表现型两个概念。v基因型
13、(genotype)指生物个体基因组合，表示生物个体的遗传组成，又称遗传型；v表现型(phenotype)指生物个体的性状表现，简称表型。21(一)、基因型与表现型的关系v基因型是生物性状表现的内在决定因素，基因型决定表现型。如一株豌豆的基因型是CC或Cc，则该植株会开红花，而基因型为cc的植株才会开白花。v表现型是基因型与环境条件共同作用下的外在表现，往往可以直接观察、测定，而基因型往往只能根据生物性状表现来进行推断。22(二)、纯合与杂合(p68)v具有一对相同基因的基因型称为纯合基因型(homozygous genotype)，如CC和cc；这类生物个体称为纯合体(homozygote)
14、。显性纯合体(dominant homozygote),如：CC.隐性纯合体(recessive homozygote),如：cc.v具有一对不同基因的基因型称为杂合基因型(heterozygous genotype)，如Cc；这类生物个体称为杂合体(heterozygote)。v纯合体与杂合体的基因组成不同，所产生的配子及自交后代的遗传稳定性均有所不同：(1).产生配子上的差异；(2).自交后代的遗传稳定性。23(三)、生物个体基因型的推断v基因型和表现型的概念是建立在单位性状上，所以当我们谈到生物个体的基因型或表现型时，往往都是针对所研究的一个或几个单位性状而言，而不考虑其它性状和基因的差
15、异。v通常可以根据生物的表型来对一个其基因型作出推断，尤其是推断显性个体的基因型(纯合?杂合?)。例：有一株豌豆A开红花，如何判断它的基因型？24例:红花植株基因型推断v因为表型为红花，所以至少含有一个显性基因C；v判断A植株是纯合体(CC)还是杂合体(Cc)，要看它所产生配子的类型、比例或自交后代是否出现性状分离现象。用A植株进行自交，如果自交后代都开红花，则A植株是纯合体，其基因型是CC；如果自交后代有红花和白花两种：且两种个体的比例为3:1，则A植株是杂合体Cc。25四、分离规律的验证(p68-70)v遗传因子仅是一个理论上的、抽象的概念。当时孟德尔并不知道遗传因子的物质实体是什么，又如
16、何实现分离。v遗传因子分离行为只是基于豌豆7对相对性状杂交试验所观察到的F1、F2个体表现型及F2性状分离现象作出的一种假设。v正因为如此，从孟德尔杂交试验到遗传因子假说是一个高度理论抽象过程。所以当时几乎没有人能够理解。如何对这一假说进行验证呢？v一个正确的理论，它首先要能解释已知的现象；其次要能够对未知事物作出理论推断(预测未知)，并通过试验来检验推断结果。v这是科学理论的一般验证过程。遗传因子假说及其分离能够解释豌豆杂交试验中观察到的性状分离现象。26分离规律的验证方法(一一)、测交法测交法(二二)、自交法、自交法(三三)、F F1 1花粉鉴定法花粉鉴定法(四四)、红色面包霉杂交法、红色
17、面包霉杂交法27测交(test cross)的概念与作用v如果用F1与隐性个体(隐性纯合体)杂交，后代的表现型类型、比例就可反映杂种F1配子的种类和比例，事实上也反映(测验)了F1的基因型。v这类为了测验个体的基因型，用被测个体与隐性个体交配的杂交方式称为测交(test cross)，其后代称为测交后代(Ft)。v被测个体不仅仅是F1，可以是任一需要确定基因型的生物个体。28(一)、测交法1.杂种F1的基因型及其测交结果的推测1)杂种F1的表现型与红花亲本(CC)一致，但根据孟德尔的解释，其基因型是杂合的，即为Cc；因此杂种F1减数分裂应该产生两种类型的配子，分别含C和c，并且比例为1:1。2
18、)白花植株的基因型是cc，只产生含c的一种配子。推测：如果用杂种F1与白花植株(cc)杂交，后代应该有两种基因型(Cc和cc)，分别表现为红花和白花，且比例为1:1。29红花F1的测交结果推测302.测交试验结果与结论Mendel用杂种F1与白花亲本测交，结果表明：v在166株测交后代中：85株开红花，81株开白花；其比例接近1:1。v结论：分离规律对杂种F1基因型(Cc)及其分离行为的推测是正确的。31(二)、自交法v纯合体(CC/cc)只产生一种类型配子，自交后代也都是纯合体，不发生性状分离现象；v杂合体(Cc)产生两种配子其自交后代会产生3:1的显性:隐性性状分离现象。1.F2基因型及其
19、自交后代表现推测1)(1/4)表现隐性性状F2个体基因型为隐性纯合，如白花F2为cc；2)(3/4)表现显性性状F2个体中：1/3是纯合体(CC)、2/3是杂合体(Cc)；推测：在显性(红花)F2中：1/3自交后代不发生性状分离，其F3均开红花；2/3自交后代将发生性状分离。32F2基因型及其自交后代表现推测332.F2自交试验结果与结论v孟德尔将F2代显性(如红花)植株按单株收获、分装。由一个植株自交产生的后代群体称为一个株系(line)。v将各株系分别种植，考察其性状分离情况。v表现性状分离现象的株系来自杂合(Cc)F2个体；未表现性状分离现象的株系来自纯合(CC)F2个体。发生性状分离现
20、象的株系数与未发生性状分离现象的株系数之比总体上是趋向于2:1。v结论：分离规律对F2代基因型的推测是正确的。34豌豆7对相对性状显性F2自交后代表现35(三)、F1花粉鉴定法v测交法是根据测交后代表现型类型和比例来测定F1产生配子类型和比例，并进而推测F1基因型，即：Ft表现型类型和比例F1配子类型和比例F1基因型v性状是在生物生长发育特定阶段表现，大多数性状不会在配子(体)上表现，因此无法通过配子(体)鉴定配子类型，如花色、籽粒形状等。v也有一些基因在二倍孢子体水平和单倍配子体水平都会表现。如玉米、水稻、高粱、谷子等禾谷类植物Wx(非糯性)对wx(糯性)为显性，它不仅控制籽粒淀粉粒性状，而
21、且控制花粉粒中淀粉粒的类型。362.淀粉粒性状的花粉鉴定法v含Wx基因的花粉粒以直链淀粉为主，而含wx基因的花粉粒以支链淀粉为主，用稀碘液对花粉粒进行染色，就可以判断花粉粒的基因型。推测，如果F1的基因型为杂合(Wxwx)，那么：1/2 Wx直链淀粉(稀碘液)蓝黑色1/2 wx支链淀粉(稀碘液)红棕色v用稀碘液处理玉米(糯性非糯性)F1植株花粉，在显微镜下观察，结果表明：花粉粒呈两种不同颜色的反应；蓝黑色:红棕色1:1。v结论：分离规律对F1基因型及基因分离行为的推测是正确的。37五、基因分离的细胞(学)基础(一一)、基因与、基因与染色体的平行性染色体的平行性(二二)、遗传的染色体学说、遗传的
22、染色体学说(三三)、分离规律的细胞学基础、分离规律的细胞学基础(四四)、分离比例实现的条件、分离比例实现的条件38(一)、基因与染色体的平行性%在显微镜下看到的染色体，有一定的形态结构，并且相当稳定；而基因在杂交中仍能保持它们的完整性和独立性。%体细胞中染色体成对存在，配子中具有每对同源染色体的一条；基因在体细胞中也成对存在，配子中具有每对基因中的一个。%生物个体中同源染色体一条来自父本、一条来自母本；成对基因也是分别来自父本和母本。%同源染色体在减数分裂过程中相互分离，非同源染色体间自由组合；成对基因在形成配子时相互分离，不同对基因间自由组合。39(二)、遗传的染色体学说v1903年苏顿(S
23、utton)和波维利(Boveri)提出遗传的染色体学说(chromosome theroy of inheritance)。认为：遗传因子(基因)位于细胞核内染色体上；成对基因分别位于一对同源染色体的对应位置上。v位点(site)与等位基因(allele)：后来人们又把基因在染色体上的位置称为位点；成对的基因互称为等位基因。v1910年摩尔根等利用果蝇为研究材料，直接证明了这一学说的正确性。40(三)、分离规律的细胞学基础v在遗传的染色体学说基础上能很好地解释基因分离规律：等位基因是随同源染色体分离而分离。v等位基因分离的细胞学基础就是：同源染色体对在减数分裂后期 I 发生分离，分别进入两个
24、二分体细胞中；杂合体的性母细胞产生两个不同的二分体细胞，分别再进行减数第二分裂，每个杂种性母细胞产生含显性基因和隐性基因的四分体细胞各两个，其比例为1:1。41分离规律的细胞学基础基因分离的细胞学基础42(四)、分离比例实现的条件(p70)1.研究的生物体必须是二倍体(体内染色体成对存在)，并且所研究的相对性状差异明显。2.在减数分裂过程中，形成的各种配子数目相等，或接近相等；不同类型的配子具有同等的生活力；受精时各种雌雄配子均能以均等的机会相互自由结合。3.受精后不同基因型的合子及由合子发育的个体具有同样或大致同样的存活率。4.杂种后代都处于相对一致的条件下，而且试验分析的群体比较大。43F
25、1 红花(二)、七对相对性状杂交试验结果一个正确的理论，它首先要能解释已知的现象；(四)、豌豆子叶颜色遗传因子的分离与组合而杂种体细胞中，分别来自父母本的成对遗传因子也各自独立，互不混杂；为单倍体育种提供理论可能性杂合体(Cc)产生两种配子其自交后代会产生3:1的显性:隐性性状分离现象。遗传因子假说、遗传因子分离与自由组合规律及其发展而传统杂交育种工作中，纯合是通过自交实现，往往需要5-6代(年)自交才能达到足够的纯合度。单位性状与相对性状(p65)F1、F2的性状表现不受亲本组合方式的影响(与哪一个亲本作母本无关)。Mendel,1822-1884)及其杂交试验解释了生物变异产生的部分原因；
26、1/2 Wx直链淀粉(稀碘液)蓝黑色杂种后代都处于相对一致的条件下，而且试验分析的群体比较大。隐性性状在F1中并没有消失，只是被掩盖了，而F2代显性性状与隐性性状都会得到表现，重新产生两种表现型个体，这就是性状分离(character segregation)现象。F2(杂种二代)有两种类型的植株，一种开红花，一种开白花；六 分离规律的意义与应用(一一)、分离规律的理论意义分离规律的理论意义(二二)、在遗传育种工作中的应用、在遗传育种工作中的应用44(一)、分离规律的理论意义v基因分离规律及后面将要介绍自由组合规律都是建立在遗传因子假说的基础之上。v遗传因子假说及基因分离规律对以后遗传和生物进
27、化研究具有非常重要的理论意义。v 1.形成了颗粒遗传的正确遗传观念 2.指出了区分基因型与表现型的重要性；3.解释了生物变异产生的部分原因；4.建立了遗传研究的基本方法。451.形成了颗粒遗传的正确遗传观念v分离规律表明：体细胞中成对的基因并不相互融合，而是保持相对稳定，并相对独立地传递给后代；父本性状和母本性状在后代中还会分离出来。v否定了融合(混合)遗传(blending inheritance)观念，确立了颗粒遗传(particulate inheritance)的观念。v在遗传学史上是一个非常重要的理论进步，促进了人们对遗传物质本质的研究。462.指出了区分基因型与表现型的重要性v早期
28、遗传研究与育种工作者在考察生物个体之间差异时，所考虑的就是可以直接观察到的性状表现(表现型)的差异。v遗传因子假说指出，生物性状只是其遗传因子组成(基因型)的外在表现。v因此，仅仅考虑生物表现型是不适当的；必须对生物的基因型和表现型加以区分，重视表现型与基因型间的联系与区别。473.解释了生物变异产生的部分原因v遗传变异是生物种类间、个体间性状差异的根本原因，是自然选择的基础，也是遗传研究与育种工作的物质基础.v因此解释遗传变异产生的原因是遗传学的重要任务之一。v分离规律表明：生物的变异可能产生于等位基因分离。v由于杂合基因的分离，可能会在亲子代之间产生明显的差异(性状分离)。这是遗传变异产生
29、的一个方面的原因。48(四)、分离比例实现的条件这是遗传变异产生的一个方面的原因。最初人们在研究生物遗传时往往把所观察到的生物所有特征或某一类特征作为一个整体看待。F2(杂种二代)有两种类型的植株，一种开红花，一种开白花；一个正确的理论，它首先要能解释已知的现象；杂合体(Cc)产生两种配子其自交后代会产生3:1的显性:隐性性状分离现象。1903年苏顿(Sutton)和波维利(Boveri)提出遗传的染色体学说(chromosome theroy of inheritance)。不同类型的配子具有同等的生活力；因此，对生物个体而言就存在遗传因子组成和性状表现两方面特征。大田生产要求群体整齐一致才
30、能获得最佳群体生产性能，从遗传上看就是要求各植株基因型相同(同质)。这是科学理论的一般验证过程。P 红花()白花()4.建立了遗传研究的基本方法v孟德尔所采用的一系列遗传研究和杂交后代观察、资料分析方法，对1900年重新发现孟德尔遗传规律的三人有重要启示，并在很长时期内成为遗传研究工作最基本的准则。v即使今天遗传研究方法得到了极大丰富，从各种方法之中仍然可以找到这些基本准则的影子。v1900年以后，人们采用这些方法，进行了大量类似的遗传研究，并最终证明了孟德尔遗传规律的普遍适用性。v同时也发现了一些用孟德尔遗传规律不能够解释的遗传现象。v一种独特的例外现象的发现往往导致新研究领域的产生。49(
31、二)、在遗传育种工作中的应用v遗传因子假说及其分离规律不仅具有重要的理论意义，而且对生物遗传改良工作有重要的指导意义。1.在杂交育种工作中的应用2.在良种繁育及遗传材料繁殖保存工作中的应用3.在杂种优势利用工作中的应用4.为单倍体育种提供理论可能性501.在杂交育种工作中的应用v杂交育种就是用不同亲本材料杂交，从后代中选择更为优良的个体加以繁殖作为生产品种。v在杂交育种中，常常要多代选择和自交，以得到所需基因型纯合类型。v亲本选择：纯合与否v后代选择：后代连续自交繁殖、纯合才能得到遗传稳定的个体。显性纯合体的选择：要鉴定显性个体是否纯合，可进行自交，如果后代发生性状分离表明它是杂合体；如果不分
32、离则是纯合体。隐性纯合体的选择：不能根据杂种F1表现取舍，而要将F1继续进行自交，在F2进行选择。512.在良种繁育工作中的应用v良种繁育工作就是种子的繁殖，而遗传材料的繁殖保存是通过栽培繁殖遗传研究材料。v两者有一个共同要求就是：繁殖得到的后代要与亲代遗传组成一致(保纯)，保持其优良的生产性能或独特性状的稳定。采用纯合的材料进行繁殖；在繁殖的过程中注意防杂、去杂工作；必要时要采取相应的隔离措施。523.在杂种优势利用工作中的应用v杂种优势利用是将杂种F1作为大田生产品种。v大田生产要求群体整齐一致才能获得最佳群体生产性能，从遗传上看就是要求各植株基因型相同(同质)。%在杂交制种过程中应该严格进行亲本去杂工作，保证亲本纯合、一致；%进行严格的隔离，防止非父本的花粉参与授粉；%由于杂种F1是高度杂合的，因此种子(F2)会发生性状分离，个体间差异很大；因此杂交种在生产上不能留种，每年都应该重新配制杂交种。534.为单倍体育种提供理论可能性v分离规律表明，在配子中基因是成单存在、纯粹的。v单倍体育种就是在这个基础上建立起来的：利用植物配子(体)进行离体培养获得单倍体植株；单倍体植株直接加倍可以很快获得纯合稳定的个体。而传统杂交育种工作中，纯合是通过自交实现，往往需要5-6代(年)自交才能达到足够的纯合度。v单倍体育种技术可以大大地缩短育种工作年限，提高育种工作效率。54