武汉大学遗传学第10章核外遗传分析

第10章核外遗传分析1.核外遗传的性质与特点2.细胞内敏感性物质的遗传3.母体影响4.线粒体遗传及其分子基础5.叶绿体遗传及其分子基础6.核外遗传与植物雄性不育10.1核外遗传的性质与特点核外遗传（ExtranuclearGenetics）又称为细胞质遗传（Cytoplasmicinheritance）主要涉及细胞质中的遗传因子：线粒体DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）叶绿体DNA（chloroplastDNA,ctDNA/cpDNA）non-Mendelian非孟德尔式遗传核外遗传的特点：(1)遗传物质在细胞器上，通过细胞质进行上下代的传递；(2)不出现孟德尔式分离比，是非孟德尔式遗传；(3)母本的表型决定了所有F1代的表型；(4)正反交（A♀×B♂B♀×A♂）的结果不同。通常显示逐代出现单亲遗传（uniparentalinheritance）的现象，即：在所有的子代中，只出现一种（个）亲本的表现型,如母体遗传（maternalinheritance）；；(5)不能对核内的染色体进行遗传作图；例:高等植物紫茉莉（Mirabililsjalapa）质体的遗传紫茉莉正常的绿色（含正常的叶绿体）斑色（叶绿体chloroplasts＋白色体Leukoplasts）白色（白色体Leukoplasts）白色♂白色白色♀×绿色→白色斑色白色绿色绿色绿色白色♂绿色♀×绿色→斑色白色♂斑色♀×绿色→斑色、绿色或白色斑色图10－1唯有来自母本为绿白枝条的种子可以产生白色、绿色和绿白斑的幼苗，它们的比例在每朵花中也不相同。在正反交中，子代某些性状仅与母本表现相同，是由于控制这些性状的遗传因子存在于核外的细胞质中，杂交后所形成的合子其细胞质几乎全部来自于雌性配子，雄性配子的贡献往往只是提供一个核，所提供的细胞质却微不足道。草履虫的生殖方式：1）无性生殖：一个个体通过细胞分裂，成为二个个体，基因型跟原来的个体一样。2）有性生殖①接合生殖（Conjugation）:两个体接合，交换小核，大核消失。小核经减数分裂后产生4个单倍体，保留一个，其余退化。留下的这个单倍体核经一次有丝分裂，产生两个单倍体核。个体接合，各将一个小核转移给对方，个体放开后，体内的二个小核融合，形成一个二倍体核。经两次有丝分裂，形成4个2n核，其中二个核合并成一个大核。若接合时间长，则细胞质也可交换。10.210.2.1(1)草履虫细胞内敏感性物质的遗传草履虫放毒型的遗传一个大核－－营养核两个小核－－生殖核，2n②自体受精（Autogamy）：同一个体的两个小核经减数分裂，留下一个小核，该小核分裂一次又相互合并，随后再分裂发育成小核和大核。（Fig--45）(2).草履虫放毒型和敏感型的接合若某些草履虫草履虫素杀死其它的草履虫但对自己无害。能产生草履虫素的个体叫做放毒型，而受害的个体就称为敏感型。根据遗传学实验，草履虫的放毒型必需有两种因子同时存在：①细胞质因子，叫做卡巴粒（Kappaparticle,κ）②显性基因核基因K，因此：K/K＋卡巴粒k/k是放毒型是敏感型基因型为Kk的放毒型并不稳定分离基因型为放毒型（基因型KK＋κ）与敏感型（基因型kk无卡巴粒）交配（接合）若：短时接合，交换小核，无胞质交换子代基因型Kk，含卡巴粒的为放毒型，不含卡巴粒的为敏感型接合时间较长，交换小核，交换细胞质基因型都为Kk（Fig-47）含卡巴粒－－－放毒型卡巴粒通过细胞质来传递，其保持依赖于核中的显性基因K的存在。消失变成敏感型。几次无丝分裂自体受精KKkk从以上实验可知，有卡巴粒的草履虫是放毒型，没有卡巴粒的草履虫是敏感型，可见草履虫素是卡巴粒产生的，但细胞质中卡巴粒的增殖又依赖核基因K的存在。如果单有核基因K存在，而细胞质中没有卡巴粒，也不能产生卡巴粒，从而仍然是敏感型。(3).卡巴粒的本质亦称k粒。它存在于放毒型草履虫的细胞质中，能进行自体复制，具有与病毒相似的性质，一般认为是寄生性病毒。卡巴粒的直径约0.2m，长约1～5m，含有DNA、RNA、蛋白质、糖类等，现已公认是一种内共生体。在具强放毒作用的草履虫中，一个细胞内有400～1600个卡巴粒，这种粒子也可向草履虫的培养液中释放，可杀死摄取这种粒子的敏感型草履虫。与卡巴粒相类似的粒子有λ、σ、γ、δ等粒子。它们也表现出与核基因共同作用的核外遗传性质。果蝇CO2敏感性带有一种σ（sigma）病毒样颗粒它可以使雌体变成对CO2敏感研究表明：σ是一种感染性因子，能够改变寄主表型，使对CO2具敏感性，通过雌亲的卵子，一代一代地遗传下去。10.2.2果蝇的感染性遗传10.3母体影响母体影响（maternalinfluence）:由于母体中核基因的某些产物积累在卵母细胞的细胞质中，使子代表型不由自身的基因型所决定而出现与母体表型相同的遗传现象，则称为母体影响。母体影响有两种：一种是短暂的，只影响子代个体的幼龄期；另一种是持久的，影响子代个体终生。10.3.1短暂的母体影响欧洲麦蛾（Ephestiakuhuniella）野生型幼虫的皮肤中含有色素，成虫复眼为深褐色。这种色素是由犬尿氨酸所形成的，由一对基因（Aa）控制。有色个体与无色个体（aa）杂交，不论父本还是母本是有色的，其子一代也都是有色的。AA×aaAa有色aa×AAAa有色但当用子一代（Aa）与aa个体测交，其后代的表型则决定于有色亲本的性别。若父本为Aa，后代表型与一般测交无差别，即其中半数测交后代幼虫的皮肤是着色的，成虫复眼为深褐色；另一半后代幼虫无色，成虫时眼为红色。若母本为Aa，所得测交后代幼虫都是有色的，成虫时其中半数为褐色眼，半数为红眼AB在上述B交配中由于基因A使幼虫着色，卵母细胞中有A基因存在，因而经减数分裂产生的卵，不论基因型是A或a，它们的细胞质中都含有A基因的产物，即色素的前体以及由前体所合成的色素。而测交所得的受精卵的细胞质多来自卵子，所以有色母本（Aa）的后代中，aa基因型幼虫的皮是有色的。不过，这种母性的影响只是暂时的，因为这种个体缺少A基因，不能自身合成色素，随着个体发育，色素逐渐消耗，成虫时复眼已成为红色。由此可见，这种母性影响显然是通过母体细胞质而起作用，但仍是核基因的遗传，因为母体细胞质中的色素物质是由其基因型决定的。10.3.2持久的母体影响在椎实螺（Limnaeaperegra，俗称田螺）的遗传研究中，曾观察到母性基因对后代表型的持久影响。椎实螺是雌雄同体的，单个饲养时，它们进行自体受精。群养时，一般是异体受精，两个个体相互交换精子，同时又各自产生卵子。锥实螺的壳旋方向,由一对核基因控制右旋（dextrol，D）对左旋（d）为显性但是，壳旋方向不由本身的基因型决定，而由母体的基因型决定母体影响不同于核外遗传，它的遗传性状是在卵的受精之前由母体的核基因型所控制（Fig-34），并不包括核外基因，母体的影响只能持续一代。图一到第三代才表现为右旋：左旋＝3：1的分离，该现象称为延迟遗传（表10—2）。为什么核基因的表达晚了一代（在F3时才表现3：1分离）？对持久的母体影响的理解不能单纯从遗传学角度而必须从发生学角度上来考虑。在田螺发育中，其受精卵是螺旋式卵裂，它的第一次卵裂的纺锤体排列方向不是垂直的，而是右螺旋的方向转向右约45°，D基因决定；左旋者，则向左旋转45°，由d基因控制。随后的卵裂以及随之躯体和外壳的分化便向右转或左转。换言之，整个发育决定于第一次卵裂，而第一次卵裂的旋转方向决定于卵母细胞的来源。所以田螺螺壳及螺体的旋向发育归根到底决定于母体的基因型和这种基因型所影响的卵母细胞（图10－4）。1940年后期，BorisEphrussi等人在固体培养基上研究酵母的生长情况:有氧呼吸、发酵野生型菌落：grandecolony偶尔小菌落：petitecolony小菌落不是因为细胞小，而是因为其生长率比野生型慢，生化分析表明：小菌落基本上不能进行有氧呼吸，它们获得能量主要是从发酵中获得。酵母中自发产生小菌落的频率：0.1%～1％，在存在嵌入剂的情况下（例如Ethidiumbromicle）100%的酵母细胞都变成小菌落。10.410.4.1线粒体遗传及其分子基础酵母的小菌落突变（Nuclearpetites）2、中性小菌落（Neutralpetites）3、抑制小菌落（Suppressivepetites）小菌落酵母小菌落系统在研究核外遗传中特别有用：①小菌落突变型丰富②缺乏线粒体功能的酵母细胞仍能成活和生长1、核小菌落Pet－突变子与野生型Pet＋杂交Pet－×Pet＋Pet+/Pet－二倍体，生成大菌落（grande）减数分裂四分子：2：2分离2Pet＋：2Pet－典型的孟德尔分离比1、核小菌落（nuclearpetites）/(segregatoinalpetites)一些小菌落在核基因组中有它们的突变基础线粒体蛋白一些亚基是由核基因编码的这些核小菌落突变型称为Pet－2、中性小菌落中性小菌落的遗传如图20.18neutralpetitesrho-Nwild–typerho+Nrho-N×rho+Nrho+N/rho-N二倍体grandecolonies减数分裂图20.184分子中核外分离：0neutralpetitemutants:4wildtype核基因分离：2neutralpetitemutants:2wildtype（取名为中性是因为这种类型的小菌落并不影响野生型）核外性状的这种结果是典型单亲遗传的例子在单亲遗传中所有的子代都只表现出一个亲本的表型这并不是母体遗传（maternalinheritance）因为两个单倍体细胞融合产生二倍体对细胞质是大小相同贡献相等的。中性小菌落的本质是什么？检查中性小菌落线粒体遗传物质揭示了一个非常显著的特点：在中性小菌落×野生型杂交中野生型酵母带有正常的线粒体，完整的mtDNA，所以在所有的子代中都恢复正常的线粒体的功能，因此一代以后，小菌落的性状消失。基本上99%－100%的mtDNA被丢失了，中性小菌落不能执行线粒体的功能，但是它们能够成活在，因为发酵过程在细胞质中进行3、抑制小菌落（suppressivepetites）抑制小菌落对野生型产生影响，多数小菌落突变具有抑制作用。抑制小菌落rho+×rho-S（10－4）rho+/rho-S二倍体它的呼吸特性位于正常的和小菌落品系之间。有丝分裂99%的小菌落（取名为suppressive，基于这种实事：即这种类型的小菌落克服了野生型而产生respiratory-deficient表型）在这种群体中任何小菌落的孢子形成，产生的四分子：核外分离：4petites:0wildtype核基因分离：2mutant:2wildtypeSuppressivepetite的本质：从mtDNA的部分缺失开始→一些校正机制，那些没有缺失的序列被复制，直到正常含量的mtDNA被恢复。在校正事情中有时出现mtDNA的重排，因为在线粒体基因组中编码蛋白质的基因是广泛散布的，这些缺失和重排导致有氧呼吸中酶的缺陷，而产生小菌落。人们提出抑制小菌落对正常的线粒体有抑制效应可能是：(1)、抑制型线粒体mtDNA可能比正常的线粒体复制得更快，在细胞中简单地蔓延，所观察的在品种间的抑制性的变异，可能反映复制中抑制型线粒体的相对竞争性。(2)、在抑制mtDNA和正常mtDNA重排之间抑制型线粒体和正常的线粒体能融合并且重组，可能严重地改变正常的线粒体的基因组构，产生小菌落。10.4.2线粒体基因组（1）线粒体基因组的一般性质线粒体：真核细胞细胞器，细胞呼吸作用的主要场所具有独立于核染色体之外的基因组——mtDNA（mitochondrialDNA）以双链超螺旋环状分子存在于细胞内（原生动物中的草履虫及四膜虫的mtDNA是双链线性分子）功能：进行三羧酸循环中的氧化反应、电子传递和能量转换。线粒体有它自己的基因组，编码细胞器的一些蛋白质。不同生物细胞的mtDNA所含信息量、大小和组成形式上也都有所不同。不同物种的真核生物线粒体基因组大小差异很大：高等植物的线粒