普通遗传学遗传的细胞学基础.ppt

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1、 第二章遗传的细胞学基础 本章内容 1 细胞的结构与功能 2 染色体的形态特征和数目 3 细胞的有丝分裂 减数分裂 4 配子的形成和受精 5 低等植物和高等植物的生活周期 第一节细胞的结构和功能 细胞 cell 是生物体结构和生命活动的基本单位 原核细胞 prokaryoticcell 细胞真核细胞 eukaryoticcell 原核细胞和真核细胞的组成与区别 动物细胞与植物细胞的组成与区别 一 原核细胞1 细胞组成 细胞壁 蛋白聚糖等 细胞膜 磷脂 蛋白质等 细胞质 核糖体等 核区 DNA RNA等 2 原核生物 各种细菌 蓝藻等低等生物由原核细胞构成 统称为原核生物 prokaryote

2、图2 1 细胞壁内质网质膜 细胞膜 线粒体叶绿体膜相结构液泡生物 细胞细胞质溶酶体高尔基体核糖体非膜相结构原生质中心体核膜 膜相结构细胞核染色质非膜相结构核仁 二 真核细胞 线粒体结构 图2 2线粒体 mitochondrial 图2 3叶绿体 Plastid 的结构 图2 4内质网 endoplasmicreticulm 结构 图2 5溶酶体 lysosome 结构 图2 6高尔基体 golgiapparatus 结构 细胞壁内质网质膜 细胞膜 线粒体叶绿体膜相结构液泡生物 细胞细胞质溶酶体高尔基体核糖体非膜相结构原生质中心体核膜 膜相结构细胞核染色质非膜相结构核仁 二 真核细胞 细胞核 n

3、ucleus 一般为球形或椭圆形 由核膜 核液 核仁和染色质所组成 核是遗传物质聚集的主要场所 对细胞发育和性状遗传起着指导作用 图2 7 核膜 nuclearmembrane 是核的表面膜 上面有许多核膜孔 核膜内充满着核液 核仁 染色质存在于核液里 核仁 nucleolus 为圆形颗粒状 在细胞分裂过程中有时呈分散状态 有时聚成颗粒 它是合成rRNA和核内蛋白质的场所 具有传递遗传信息的功能 染色质 chromatin 是尚未进行分裂的细胞核内能够被碱性染料染色的纤细网状物 染色体 chromosome 细胞分裂时 核内出现的用碱性染料染色较深的结构 是遗传物质的主要载体 三 不同类型细胞

4、间的比较 图2 8动物细胞结构 图2 9植物细胞结构 第二节染色体的形态和数目 一 染色体的形态特征 染色体是细胞核中最重要的部分 它对生物的繁殖和遗传信息的传递具有十分重要的作用 因此 它是从细胞学方面进行遗传研究的主要对象 1 染色体 chromosome 几乎所有生物细胞中均存在染色体 真核生物染色体均有其特定的形态特征 在细胞分裂的中期和早后期最为明显和典型 中期染色体分散排列在赤道板上 故通常以这个时期进行染色体形态的识别和研究 2 组成 组成 着丝粒 长臂和短臂 着丝点对于细胞分裂时染色体向两极牵引具有决定性作用 次缢痕 随体是识别特定染色体的重要标志 某些次缢痕具有组成核仁的特殊

5、功能 图2 10中期染色体形态示意图 3 染色体的形态 4 大小 1 不同物种差异很大 染色体大小主要指长度 同一物种染色体宽度大致相同 植物 长约0 2 50 宽约0 2 2 0 2 高等植物中单子叶植物的染色体一般比双子叶植物要大些 3 大型染色体 macrochromosome 和小型染色体 microchromosome 图2 11芍药染色体 图2 12普通小麦细胞分裂中期染色体形态2n 42 10 m 草棉2n 26 中棉2n 26 陆地棉2n 52 海岛棉2n 52 4 m 4 m 4 m 4 m 4 m 图2 13棉花染色体形态 图2 14 5 类别 同源染色体 homologo

6、uschromosome 形态和结构相同的一对染色体 异源染色体 non homologouschromosome 这一对染色体与另一对形态结构不同的染色体 互称为异源染色体 6 染色体的编号 根据染色体长度 着丝点位置 长短臂比 随体有无等特点进行编号 10 图2 15 图2 16人类染色体核型 2n 46 对生物细胞核内全部染色体的形态特征进行的分析 成为染色体组型 karyotype 分析 或核型分析 图2 17人类染色体组型分析 染色体显带技术是一借助于某些特殊的染色程序使染色体在一定部位内显现出深浅不一带纹的细胞学技术 染色体分带技术有Q带 G带 C带 R带 T带 N带等 这一技术自

7、1969年应用于植物后 已成为鉴别染色体组型和各条染色体以及深入认识染色体的结构 成分 功能的有效手段 染色体显带技术 图2 18 图2 19人类染色体的R带带形分析 图2 20 生命科学中的 钓鱼 FISH 技术 图2 21FISH图片 原位杂交技术 insituhybridization 是将特定基因或DNA序列直接定位于染色体上的技术 原位杂交技术将分子遗传学与细胞遗传学很好地结合起来 利用标记的核酸序列作探针与染色体进行杂交 既可以对细胞学分带的结果进行补充 又可以更直接地检测和鉴定外源染色体或染色体片段 发展历史 荧光原位杂交技术 fluorescenceinsituhybridiz

8、ation FISH 问世于20世纪70年代后期 其曾多用于染色体异常的研究 近年来随着FISH所应用的探针种类的不断增多 特别是全COSMID探针及染色体原位抑制杂交技术的出现 使FISH技术不仅在细胞遗传学方面 而且还广泛应用于肿瘤学研究 如诊断 基因定位等 放射性同位素原位杂交技术 灵敏度高 特异性强 每次检验需重新标记 已标记的探针表现出明显的不稳定性 需要较长时间的曝光时间和对环境的污染等 由于放射性银粒和染色体聚集的不同平面 可能引起计数上的误差等 生物素标记原位杂交 FISH的基本原理 用特殊的核苷酸分子作探针 将探针直接杂交到染色体或DNA纤维切片上 再用与荧光素分子偶联的单克

9、隆抗体与探针分子特异性结合来检测DNA序列在染色体或DNA纤维切片上的定性 定位 相对定量分析 FISH技术是常规染色体分析的辅助手段 它是用荧光素标记特异探针 与染色体做杂交后 根据特异的荧光信号来判断结果 它可用于标记染色体的识别 特异融合基因的检测 新基因定位 用全染色体涂抹探针识别复杂的染色体结构异常 FISH技术的应用 FISH的技术特点 FISH选用的标本可以是分裂期细胞染色体也可以是间期细胞 间期细胞可以是冰冻切片 也可以是细胞滴片或印片 生物素 Biotin 地高辛 digoxigenin dinitrophenyl DNP aminoacetylfluorene AAF 均可

10、用于探针标记 FISH的优点 1 操作简便 探针标记后稳定 一次标记后可使用二年 2 方法敏感 能迅速得到结果 3 在同一标本上 可同时使用几种不同探针 4 不仅可用于分裂细胞染色体数量或结构变化的研究 而且还可用于静止期细胞的染色体数量及基因改变的研究 图2 22染色体着丝粒荧光 发展的原位杂交技术 染色体原位抑制杂交技术 chromosomeinsitusuppression 基因组原位杂交 genomeinsituhybridization 原位PCR insituPCR 原位杂交技术在植物遗传育种上的应用 1 植物基因的染色体作图 2 异源染色质及多种染色体畸变检测 3 在植物基因工程

11、及基因表达研究上的应用 图2 23亚比棉 陆地棉 G hirsutum 原位杂交图 二 染色体的数目 各种生物的细胞核内都有特定数目的染色体 其数目的多少 依不同生物的 种 而异 正常染色体 Achromosome 正常核型范围内的染色体 超数染色体 supernumerarychromosome 细胞里多于正常核型以外的染色体 生物染色体的一般特点 1 数目恒定 2 体细胞 2n 是性细胞 n 的一倍 3 与生物进化的关系 无关 可用于物种间的分类 4 染色体数目恒定也是相对的 如动物的肝 单子叶植物的种子胚乳 表2 1部分动 植物的染色体数目 三 原核生物的染色体形态 结构和数目通常原核生

12、物细胞里只有一个染色体 且DNA含量低于真核生物 例如 大肠杆菌E coli只有一个环状染色体 其DNA含核苷酸对为3 106 长度1 1mm 蚕豆配子中染色体 n 6 的核苷酸对为2 1010 长度6000mm 豌豆配子中染色体 n 7 的核苷酸对为3 1010 长度10500mm 第三节细胞的有丝分裂 细胞分裂是生物生长和繁殖的基础 通过细胞分裂 生物细胞得到增殖 生物体得到生长 遗传物质从母细胞传给子细胞 从亲代传给子代 细胞分裂的方式可以分为无丝分裂 amitosis 和有丝分裂 mitosis 两大类 高等生物的细胞分裂主要是有丝分裂 一 细胞周期 cellcycle 分为M期 S期

13、 G1期和G2 M期为分裂期 synthesis S期 G1期和G2合称为间期 interphase 间期 图2 24有丝分裂周期 细胞分裂间期细胞内的生化活动活跃 1 遗传物质的复制间期结束时 DNA的含量比间期开始时增加一倍 2 能量准备 核在间期的呼吸作用很低 以便为分裂准备足够的易于使用的能量 3 细胞在间期生长 使核体积和细胞质体积达到最适的平衡状态 图2 25 有关细胞周期的遗传控制是当今遗传学研究中非常活跃的一个研究领域 基因究竟如何控制细胞周期呢 现在发现有两类基因控制细胞周期 第一类基因主要控制细胞周期过程中所需关键蛋白质或酶的合成 第二类是直接控制细胞进入细胞周期各个时期的

14、基因 图2 26 图2 27 图2 28 二 细胞分裂过程 1 无丝分裂 amitosis 亦称直接分裂 细胞核拉长后缢裂为二 细胞质分裂 2个子细胞 染色体分裂无规律 整个过程看不到纺锤丝 高等植物某些生长迅速部分可以发生 小麦茎节部分和番茄叶腋发生新枝处 一些肿瘤和愈伤组织常发生无丝分裂 2 有丝分裂 mitosis 在整个过程染色体会产生有规律的变化 包括两个紧密过程 核分裂为二 细胞质分裂 二个子细胞各含一个核 根据核分裂的变化特征可以将有丝分裂分为四个时期 间期 前期 中期 后期 末期 图2 29 3 有丝分裂的特殊情况 正常 间期DNA复制染色单体 着丝点裂开 染色体 核分裂 胞质

15、分裂 间期DNA复制 芸苔类 绒毡层多核细胞 多核细胞 细胞核多次分裂 而细胞质不分裂 形成具有很多游离核的多核细胞 图2 30多核细胞 核内有丝分裂 核内染色体中染色线连续复制 但着丝点不裂开 形成多线染色体 例如双翅昆虫摇蚊 果蝇幼虫唾腺细胞出现巨型染色体 其染色体中染色质线可多达1000条以上 并具有不同的条纹和条带 图2 31果蝇幼虫唾腺细胞巨型染色体 1 生物学意义 1 有丝分裂促进细胞数目和体积增加 2 均等方式的有丝分裂 能维持个体正常生长和发育 保证物种的连续性和稳定性 2 遗传学意义 核内各染色体准确复制为二 两个子细胞的遗传基础与母细胞完全相同 复制的各对染色体有规则而均匀

16、地分配到两个子细胞中 子 母细胞具有同样质量和数量的染色体 三 有丝分裂的意义 第四节细胞的减数分裂 一 减数分裂过程 1 概念 减数分裂 meiosis 又称为成熟分裂 是性母细胞成熟时配子形成过程中发生的一种特殊有丝分裂 使体细胞的染色体数目减半 例如 水稻2n 24 玉米2n 20 茶树2n 30 减数分裂n 12n 10n 15n 卵 n 精 2n 体 受精作用可保证物种染色体数恒定 1 各对同源染色体在细胞分裂前期配对 或联会 2 细胞分裂过程中包括两次分裂 第一次分裂中染色体减数 这次分裂的前期较复杂 又可细分为五期 细线期 偶线期 粗线期 双线期 终变期 第二次分裂染色体等数 2

17、 特点 2 32减数分裂模式图 图2 33细胞减数分裂前期I的5个时期 第一次分裂1 前期I 第一前期 这一时期为时较长 可分为以下五个时期 细线期 leptotene 开始进入分裂期 染色质逐渐浓缩成细线状 交织成网 偶线期 zygotene 各对同源染色体纵向靠拢 进行准确地配对 又叫联会 粗线期 pachytene 四联体 tetrad 姊妹染色单体 sisterchromatids 由同一个染色体复制成的两根染色单体 染色体交换 crossover 在非姊妹染色单体之间常发生染色体某些区段的交换 图3 34粗线期 双线期 diplotene 交叉 chiasmata 这种现象是由于非姊

18、妹染色单体之间发生了某些染色体片断交换造成的 图3 35双线期 终变期 diakinesis 交叉端化 terminalizationg 交叉向二价体的两端移动 逐渐到达末端 图3 36终变期 2 中期 metaphase 核仁 核膜消失 出现纺锤丝并与各染色体的着丝点相连接 各对同源染色体整齐地排列在赤道板上 而着丝点分别对向两极 着丝粒并不分离 图2 37中期I 中期I和前期I的终变期是观察鉴定染色体的最好时期 3 后期I anaphase 由于纺锤丝的牵引 各对同源染色体相互分开 分别移向两极 两极中各有每对同源染色体中的一个 实现了染色体数目由2n到n的转变 图2 38后期I 4 末期

19、I telophase 染色体移向两极 形成两个核 同时细胞质分为两部分 形成两个子细胞 称为二分子 图3 39末期I 第二次分裂前期II紧接着末期I 变化不太明显 到了中期II时 染色体的着丝点又整齐地排列在每个二分子的赤道板上 并且着丝点开始分裂 后期II时 每个染色体的着丝点都分开 并在纺锤丝的牵动下移向两极 末期II时 在两极形成新的核 细胞质也分为两部分 这样 每个孢母细胞经过连续两次分裂 形成了四个子细胞 称为 四分子 或 四分孢子 每个细胞核里各含有n个染色体 二 减数分裂的意义 是生物生活周期和配子形成过程中必要阶段 2 遗传学意义 由于减数分裂只发生在配子形成之前 所以通过有

20、性繁殖产生的雌雄配子 其染色体数都比体细胞减少一半 每个配子中各含有n个染色体 当雌 雄配子通过受精结合为合子时 便又恢复为2n个染色体 这样就保证了各种生物染色体数目及其遗传物质的稳定 3 在中期I各对同源染色体排列在赤道板上 在后期I染色体是随机分别拉向二极自由组合 由于不同染色体上所载的基因不同 因而所形成的配子在遗传物质组成上就会多种多样 这是生物变异的主要原因之一 也是自由组合规律的细胞学基础 n对染色体 非同源染色体分离时的可能组合数为2n 如 水稻n 12 故组合数为2n 212 4096 茶n 15 组合数为215 32768 假定某一杂种细胞里有3对同源染色体 分别用AA B

21、B CC 表示 试问通过减数分裂所形成的配子有哪几种染色体组合类型 想一想 4 各对同源染色体的非姐妹染色单体间片断可发生各种方式的交换可为生物变异提供物质基础 利于生物生存及进化 为人工选择提供材料 图2 40同源染色体非姊妹染色单体间的交换 有丝分裂与减数分裂有哪些区别呢 减数分裂前期有同源染色体配对 联会 减数分裂遗传物质交换 非姐妹染色单体片段交换 减数分裂中期后染色体独立分离 而有丝分裂则着丝点裂开后均衡分向两极 减数分裂完成后染色体数减半 分裂中期着丝点在赤道板上的排列有差异 减数分裂中同源染色体的着丝点分别排列于赤道板两侧 而有丝分裂时则整齐地排列在赤道板上 5 有丝分裂与减数分

22、裂的比较 第五节配子的形成和受精 一 雌雄配子的形成 生物的生殖方式有两种 无性生殖 asexualreproduction 通过亲本营养体的分割而产生许多后代个体 有性生殖 sexualreproduction 通过亲本的雌配子和雄配子受精而形成合子 随后进一步分裂 分化和发育而产生后代 图2 41营养繁殖 vegetativepropagation 高等动物都是雌雄异体的 它们的生殖细胞分化很早 在自身的胚胎发育过程中即已形成 生殖细胞位于生殖腺 gonad 中 待个体发育成熟时 它们再进一步发育 高等植物的生殖细胞不是早已分化好了的 而是到个体发育成熟时才从体细胞中分化形成的 图2 42

23、动物生殖细胞的产生 图2 43 图2 44植物中经减数分裂产生胚囊的过程 引自Russell 1992 二 受精 受精 fertilization 雄配子 精子 与雌配子 卵细胞 融合为一个合子 植物的授粉方式 自花授粉 self pollination 同一朵花内或同株上花朵间的授粉 异花授粉 crosspollination 不同株的花朵间授粉 图2 45 图2 46双受精及种子形成示意图 我们通常所说的种子 主要是由胚 胚乳和种皮组成 种皮的来源不同于胚和胚乳 它是母体的体细胞组织 如大豆 棉花 花生等作物的种皮 是由胚囊外围的珠心和珠被发育成的 而水稻 小麦 玉米等禾谷类作物的 种子

24、实际上是植物学上的果实 它们的 种皮 来源 还包括子房壁在内 是果皮和种皮的混合组织 三 直感现象 胚乳直感 xenia 或花粉直感 如果在3n胚乳上由于精核的影响而直接表现父本的某些性状 例如 以玉米黄粒的植株花粉给白粒的植株授粉 当代所结种子即表现父本的黄粒性状 利用高油玉米为父本 对普通玉米授粉 通过花粉直感效应即可获得商品高油玉米 由于高油玉米的花粉直感效应使普通玉米的含油量增加72 可以其作为鉴定真假杂种的直观方法 改善果实品质 花粉直感现象的应用 如果种皮或果皮组织在发育过程中 由于花粉影响而表现父本的某些性状 例如 棉花纤维是由种皮细胞延伸的 在一些杂交试验中 当代棉籽的发育常因

25、父本花粉的影响 而使纤维长度 纤维着生密度表现出一定的果实直感现象 果实直感 metaxenia 花粉直感及果实直感产生的原因 造成花粉直感的原因 是由于胚和胚乳是双受精的直接产物 能够直接受到父本遗传物质的影响 从而在杂交当代母体上就有可能出现父本的某些性状 果实直感与双受精过程无关 而是由于胚对种皮 果皮发育过程中产生了生理 生化水平上的影响 但是 它们同样都是由于花粉的影响而引起的直感现象 表2 2被子植物种子 果实各部分的遗传来源 四 无融合生殖 无融合生殖 apomixis 雌雄配子不发生核融合的一种无性生殖方式 可分为两大类 1 营养的无融合生殖 vegetativeapomixi

26、s 能代替有性生殖的营养生殖类型 就是无性生殖 例如 大蒜的总状花序上常形成近似种子的气生小鳞茎 可以代替种子而生殖 2 无融合结子 agamospermy 指能产生种子的无融合生殖 包括三种类型 单倍配子体无融合生殖 haploidgametophyteapomixis 二倍配子体无融合生殖 diploidgametophyteapomixis 不定胚 adventitiousembryony 无融合生殖的遗传机制 目前有关植物无融合生殖的遗传学机理 主要有两种观点 一种认为植物无融合生殖是由单基因控制的 如 百喜草 Paspalumnotatum 的无融合生殖是由一个显性基因控制的 另一种

27、认为植物无融合生殖是由多基因控制的 如 在摩擦禾和草地早熟禾的无融合生殖是由不同基因控制的 近几年的研究进一步证实了不同植物中控制无融合生殖的基因数目不同 无融合生殖的用途 1 培育单倍体植株 分离各种遗传组成的后代 然后加倍 提高纯合速度 2 二倍体的胚 其遗传组成与母体相同 可用于固定杂种优势 无融合生殖育种技术也就是固定杂种优势利用技术 如 水稻兼性无融合生殖固定杂种优势育种技术 无融合生殖杂交水稻品种价钱便宜 能够提高水稻产量10 15 节约时间 人力 物力2 3以上 是一种快速育种新方法 第六节生活周期 lifecycle 一 低等植物的生活周期 生活周期 lifecycle 从合子

28、到个体成熟至死亡所经历的一系列的发育阶段 世代交替 alternationofgenerations 生活周期包括一个有性世代和一个无性世代 这样二者交替发生就称为世代交替 孢子体世代 sporophytegeneration 从一个合子发育成为一个孢子体 到减数分裂之前 的世代 合子开始 减数分裂开始之前 也称无性世代 配子体世代 gametophytegeneration 减数分裂形成减数的配子开始至卵细胞受精前的世代 也称有性世代 名词 红色面包霉属子囊菌 具有核结构 属真核生物 n 7 特点 个体小 生长迅速 易培养 可进行无性生殖或有性生殖 营养体是由单倍性 n 7 的多核菌丝组成的

29、 因而染色体上各显性或隐性基因均可从表现型上直接鉴别 便于观察和分析 它们的子囊孢子的性状的分离比例是严格的1 1 而且有一定的顺序 可用于连锁和交换现象的研究 无性生殖 多细胞的菌丝体产生分生孢子发芽形成菌丝 有性生殖 是不同接合型的菌丝产生有性孢子的过程 有两种方式 1 两种不同生理类型 接合型 的菌丝或称不同的接合型融合 2 不同接合型产生的菌丝原子囊果和分生孢子融合 形成二倍体的合子 图2 47子囊菌的生活周期 图2 48 两种有性生殖方式形成的二倍性合子都可以经减数分裂形成四个子细胞 每个子细胞又经一次有丝分裂形成8个子细胞 进一步发育形成8个子囊孢子 并以一定顺序排列在子囊中 若两

30、个亲代菌株有某一遗传性状的差异 那么经杂交所形成的子囊必定有四个子囊孢子属于一种类型 其它四个子囊孢子属于另一类型 它们的子囊孢子的性状的分离比例是严格的1 1 而且有一定的顺序 成熟的子囊孢子在适当条件下可发育成菌丝 形成新的一代 二 高等植物的生活周期 孢子体 2n 为自养型 配子体 n 寄生在孢子体上 图2 49 高等植物的一个完整的生活周期是从种子胚到下一代种子胚 它包括无性世代和有性世代 高等植物从受精卵发育成一个完整的绿色植株 是孢子体的无性世代 成为孢子体世代 孢子体世代是双倍体 2n 雌雄配子体的形成是高等植物进入了生命周期的有性世代 又称为配子体世代 配子体世代是单倍体 n

31、雌雄配子受精结合以后 结束有性世代又进入无性世代 三 高等动物的生活周期 图2 50 高等动 植物的生活周期有何差异 高等动 植物生活周期的差异主要表现在以下两点 1 高等动物通常是从二倍体的性原细胞经过减数分裂即直接形成精子和卵细胞 其单倍体的配子时间很短 而植物从二倍体的性原细胞经过减数分裂后先产生为单倍体的大 小孢子 再进行一系列的有丝分裂 然后再形成为精子和卵细胞 2 高等动物的有性过程是精子和卵细胞融合成受精卵 再由受精卵分化发育成胚胎 直至成熟个体 而高等植物的有性过程是经双受精 精子与卵细胞结合进一步发育分化成胚 而另一精子与两个极核结合 发育成胚乳 胚乳在胚或种子生长发育过程起到很重要作用 细胞的结构和功能原核细胞 真核细胞 动 植物细胞染色体的形态和数目染色体的形态特征 重要性 形态 大小 类别 编号和数目等 细胞的有丝分裂细胞周期 有丝分裂过程 细胞的减数分裂概念 特点和意义 配子的形成和受精生活周期 本章小结