遗传的基本规律·

由OPUS-4.8生成

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孟德尔的豌豆杂交试验·

格里戈·约翰·孟德尔（Gregor Johann Mendel） 是遗传学的伟大创始人。1856年起，他在修道院花园中进行了长达8年的豌豆杂交试验，发现了遗传的基本规律。

• 选材的高明之处

  挑选了 7对既明显又稳定 的相对性状：种子形状（圆/皱）、子叶颜色（黄/绿）、种皮颜色（褐/白）、豆荚形状（饱满/皱缩）、未熟豆荚颜色（绿/黄）、花的位置（腋生/顶生）、茎的长短（长/短）。

• 方法的高明之处

  种植数千植株，分类统计 $F_1$、$F_2$ 各性状植株数目，作数学归纳。凭借良好的数学统计基础，他从二项式展开式的系数中识别出数据里隐藏的 1:1、3:1 比率的深刻含意。

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遗传的第一定律——分离定律·

一对性状的遗传分析·

以种子形状（圆形/皱缩）这 一对相对性状 为例：

• 亲本（P）

  均为 纯种。圆形自交后代全圆，皱缩自交后代全皱。

• 正交与反交

  去掉一亲本未熟花的雄蕊，授以另一亲本花粉即为杂交。以某方向为 正交（direct cross），反过来即 反交（reciprocal cross）。

• $F_1$：显隐性

  正反交结果一致，$F_1$ 全部为圆形，皱缩性状被掩盖。
  圆形对皱缩为 显性性状（dominant）（在 $F_1$ 显现），皱缩对圆形为 隐性性状（recessive）（在 $F_1$ 不显现）。

• $F_2$：分离现象

  $F_1$ 自交，$F_2$ 中圆、皱同时出现，且皱缩与亲代完全一样。实得 5474 圆 : 1850 皱 ≈ 2.96:1 ≈ 3:1。
  隐性性状按一定比率（1/4）重新出现，此现象称为 分离（segregation）。其余6对性状 $F_2$ 均约为 3:1。

• $F_2$ 的实质是 1:2:1

  继续种到 $F_3$、$F_4$……：皱缩者永远只产皱缩（纯种）；圆形者中 1/4 只产圆形（纯），2/4 又出现 3:1（杂）。
  可见 $F_2$ 表面的 3:1 实为 1/4 纯圆 : 2/4 杂圆 : 1/4 纯皱 = 1:2:1。

孟德尔的假设（用现代术语叙述）·

（1）性状由 基因（gene） 决定。
（2）每对相对性状由 一对等位基因（allele） 控制，体细胞中基因成对。
（3）每个配子（gamete）只含每对等位基因中的 一个。
（4）一对基因一个来自父本、一个来自母本，受精时雌雄配子 随机结合。
（5）形成配子时，成对基因 相互分离，分别进入不同配子。

核心概念·

以 $R$（圆，显性）、$r$（皱，隐性）为一对等位基因：

• 基因型（genotype）

  基因组成，如 $RR$、$Rr$、$rr$。

• 表型（phenotype）

  可观察到的外在特征，如"圆形"“皱缩”。

• 纯合体（homozygote）：$RR$、$rr$。杂合体（heterozygote）：$Rr$。

  不同基因型可有相同表型（如 $RR$ 与 $Rr$ 均圆），源于基因功能的差别。

测交（test cross）·

用 隐性纯合亲本 与 $F_1$ 杂种授粉，以测验 $F_1$ 基因型，实质是一种 回交（back-cross）。
因隐性不能遮盖，测交子代表型可 直接反映 $F_1$ 配子的类型和数目。$Rr$ 测交结果为 50% 圆 : 50% 皱，证明 $F_1$ 产生两种数目相等的配子。
其巧妙之处：显性亲本回交无法达到此目的。

分离定律（law of segregation）内容·

一对基因在杂合状态 互不混淆、保持独立性；配子形成时按原样分离进入不同配子。
一般情况下：配子分离比 1:1；$F_2$ 基因型比 1:2:1；$F_2$ 表型比 3:1。

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遗传的第二定律——自由组合定律·

两对性状的遗传分析·

纯种黄圆 × 纯种绿皱：

• $F_1$：全部黄圆，绿、皱不表现。
• $F_2$：出现 4种表型，除亲本型（黄圆、绿皱）外，还有新组合 重组（recombination）（黄皱、绿圆），比率为 9:3:3:1（实得 315:101:108:32）。
• 与分离定律的关系

  单看一对性状仍为 3:1（黄:绿≈2.97:1，圆:皱≈3.18:1）。
  9:3:3:1 可分解为两个独立的 3:1，即来自二项式 $(3/4+1/4)^2$ 展开式的系数。

• Punnett 棋盘（Punnett square）

  用符号和图示公式化表示定律的方法。$F_2$ 由 $YR、Yr、yR、yr$ 四种配子两两组合，得 9黄圆:3黄皱:3绿圆:1绿皱。

• 测交验证

  $F_1$ 黄圆（YyRr）× 双隐性绿皱（yyrr），得 4种表型数目相等，证明 $F_1$ 配子分离比为 1:1:1:1。

自由组合定律（law of independent assortment）内容·

两对基因在杂合状态保持独立、互不混淆；配子形成时，同一对基因各自分离，不同对基因自由组合。
一般情况下：$F_1$ 配子分离比 1:1:1:1；$F_2$ 基因型比 $(1:2:1)^2$；$F_2$ 表型比 $(3:1)^2$。
南瓜果色（白 $W$ 显性 / 黄）与果形（圆盘 $D$ 显性 / 球状）的遗传是其典型应用，被多种动植物杂交证实，具普遍意义。

人类简单的孟德尔式遗传·

人类世代长（约20年）、无法建立系统杂交（伦理不容），故采用 系谱分析（pedigree analysis）。
先证者（proband）：确诊的第一个患者。携带者（carrier）：杂合体（如隐性基因携带者 $Aa$）。
常染色体单基因遗传实例：V形发际（显）/平直发际（隐）、指背长毛（显）、雀斑（显）、游离耳垂（显）/附着耳垂（隐）。

颗粒遗传理论（孟德尔学说的核心）·

• 对立面：融合遗传（blending inheritance）

  曾流行于欧洲，认为子代性状是双亲"血液"混合的结果（如墨水混水不可分），实质是 否定遗传因子、取消遗传。

• 颗粒遗传（particulate inheritance）

  每个基因是 相对独立的功能单位；二倍体中控制成对性状的基因成对，形成配子时只有成对等位基因才相互分离。
  隐性性状在 $F_1$ 不消失、$F_2$ 按比率重现；$A$ 与 $a$ 同处一体仍各自保持独立性与纯洁性。
  分子遗传学与遗传工程从根本上证实了基因的颗粒性。

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孟德尔定律的扩展·

不完全显性（incomplete dominance）·

红花纯种金鱼草 × 白花纯种：$F_1$（$Ww$）全开 粉红色（双亲中间型）。$F_1$ 自交，$F_2$ 出现 1红:2粉:1白。
因杂合子表型不同于两种纯合亲本，基因型比与表型比均为 1:2:1，3:1 被修饰。这并不违背颗粒遗传。
人类高胆固醇血症：正常 $HH$，杂合 $Hh$（约1/500）胆固醇为正常2倍、约30岁易患心脏病，隐性纯合 $hh$（约1/100万）达5倍、2岁即可患病。

复等位基因（multiple alleles）·

一个基因座可有 两种以上 等位形式（$A,a,a_1,a_2\cdots$），仅存在于 群体 中；每个二倍体细胞最多只有其中任意 两个，分离规律与一对等位基因相同。

• ABO 血型

  由 $I^A、IB、i$ 三个复等位基因决定红细胞表面抗原。

  表型	基因型
  O	$ii$
  A	$IAIA$ 或 $I^Ai$
  B	$IBIB$ 或 $I^Bi$
  AB	$IAIB$
  $IA、IB$ 均对 $i$ 显性；$I^A$ 与 $I^B$ 为 共显性（codominance）——杂合子中不同等位基因同时、同等表现（$IAIB$ 时 A、B 抗原共存为 AB 型）。

• 亲子鉴定

  血型只能 排除（证明某男子不是生父），不能确证。如 AB 型孩子（$I^AIB$）之父绝不可能是 O 型（$ii$）。可靠鉴定需综合 DNA 指纹 等技术。

基因的多效性（pleiotropism）·

单一基因产生多种表型效应，极为普遍，因发育中各生化途径相互联系制约。

• 翻毛鸡实例

  翻毛（$FF$ 或 $Ff$）与正常羽（$ff$）仅一对基因之差。隐性基因 $f$ 使羽毛保温差 → 散热多、体温低 → 代谢增强、心跳加快、心脏扩大 → 脾扩大 → 消化排泄器官变化 → 最终生殖力下降。所有异常均归咎于 $f$ 的多效性。

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多基因决定的数量性状·

• 质量性状（qualitative trait）：由一两对等位基因决定，如豌豆的圆皱、黄绿。
• 数量性状（quantitative trait）

  呈 连续变异 的性状，如人的肤色、身高、体重，作物产量等。由 许多对基因 决定，每对效应微小，称 微效基因（minor gene）；效应 累加，故又称 多基因遗传（polygenic inheritance）。

• 肤色模型（假设3对基因）

  显性 $A、B、C$ 有增色效应，隐性 $a、b、c$ 无。$AABBCC$ 深黑，$aabbcc$ 白，$AaBbCc$ 为中间型。
  表型只与显性基因的数目有关，与种类无关（如 $AaBbCc$、$AABbcc$、$AabbCC$ 效应相同）。
  $AaBbCc × AaBbCc$ 后代7种肤色比率 1:6:15:20:15:6:1，呈 正态分布：中间型最多，极端型最少。

• 遗传与环境共同作用

  数量性状表型受 环境 显著影响，单纯遗传描述永远不完全。
  眼睛颜色几乎全由遗传决定；身高中环境（营养、健康）影响约占50%；音乐爱好、指甲长短等则与遗传无关。

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遗传的染色体学说·

萨顿和博韦里的假说·

19世纪细胞学进展：Flemming 用苏木精染色看到分裂中的染色体，发现每物种染色体 数目、形态恒定，有丝分裂中每条染色体纵裂为二均等分配；Hertwig（1876）发现受精；van Beneden（1883）在马蛔虫见体细胞4条、配子2条、合子恢复4条染色体；魏斯曼预言配子形成前必有一次 减数分裂（Hertwig 于1890描述）。
1900年孟德尔工作被重新发现后，萨顿（Sutton）与博韦里（Boveri） 率先将染色体行为与基因传递联系起来，提出 染色体是基因的载体。

• 分离定律的染色体基础

  后期 I 同源染色体分开 → 等位基因 $R、r$ 分离 → 配子各得一条 → 受精随机 → $F_2$ 3:1。

• 自由组合定律的染色体基础

  非同源染色体在后期 I 自由组合 → 配子有 $RY、ry、rY、Ry$ 四种 → $F_2$ 9:3:3:1。

• 配子多样性

  源于同源染色体在减数分裂 I 赤道板 排列方式不同，组合数为 $2^n$（$n$ 为单倍体染色体数）。人类 $n=23$，约 800万 种配子；受精后合子可能组合达 $64×10^6$ 种，是个体差异巨大的原因之一。

• 实质

  同源染色体分离导致等位基因分离（性状分离）；非同源染色体独立分配导致基因自由组合。
  该学说尚需将 特定基因与特定染色体 联系起来，首先解决者为 摩尔根。

性染色体和性别决定·

雌雄之比理论上 1:1，是典型孟德尔比率，性别受遗传控制。

• XY 型

  人类、全部哺乳类及某些两栖/鱼类。雄 XY，雌 XX。人有44条常染色体（A）；卵子性染色体皆 X，精子半 X 半 Y，子代性别由精子决定。
  Y 短臂上的 SRY 基因（1990年发现）在睾丸形成中起关键作用，缺失则发育出卵巢。

• XO 型

  蝗虫、蟋蟀、蟑螂等。雌 XX，雄 XO（缺一条）。雄产两种配子，由精子决定性别。

• ZW 型

  蝴蝶、鸟类、鱼。雄 ZZ，雌 ZW，由卵子决定性别。

• 染色体数目决定型

  蚂蚁、蜜蜂：雌性由受精卵发育（二倍体），雄性由未受精卵发育（单倍体）。

• 雌雄异体 / 同体

  多数动物雌雄异体；玉米等 雌雄同株、蚯蚓等 雌雄同体 可同时产生精卵，所有个体染色体相同。植物如棕榈、菠菜为 XY 型，草莓为 ZW 型。

黑腹果蝇的伴性遗传·

• 摩尔根（Thomas Hunt Morgan）与果蝇

  1933年第一位获遗传学诺贝尔奖者，发现基因的 连锁与交换，证明基因在染色体上 直线排列，奠定细胞遗传学基础。
  1908年选定黑腹果蝇为模式生物：体小、饲养简便、繁殖力强、生活周期短（25℃约10天）、染色体仅 4对（2n=8） 且形态明显、突变多。

• 性连锁基因（sex-linked gene）

  定位于性染色体上的基因。绝大多数位于 X（或 Z）染色体，极少由 Y（或 W）携带。

• 白眼果蝇实验

  1909年摩尔根发现一只白眼雄蝇。

  1. 白眼♂ × 红眼♀ → $F_1$ 全红（红对白显性）；$F_1$ 互交 → $F_2$ 红:白=3:1，但 白眼只限于雄蝇，无法用简单分离定律解释。
  2. 回交（白眼♂ × $F_1$红眼♀）→ 1/4红♀:1/4红♂:1/4白♀:1/4白♂，证明 $F_1$ 红眼♀为杂合体、原白眼♂为纯合体。
  3. 交叉遗传（criss-cross inheritance）：白眼♀ × 红眼♂ → $F_1$ 女儿全红（像父），儿子全白（像母）。

• 摩尔根的解释

  白眼隐性基因 $w$ 由 X 染色体 携带（$w^+$ 红、$w$ 白）；雄蝇只有一条 X、Y 上无等位基因。
  凡由性染色体携带、遗传时与性别相联系的方式即 伴性遗传（X连锁遗传）。摩尔根第一次将特定基因（$w$）与特定染色体（X）联系起来，为染色体学说提供了无可辩驳的证据。

人类的性连锁遗传·

• X 连锁隐性遗传（XR）

  如红绿色盲、血友病、G6PD 缺乏症等，规律同果蝇白眼，男性患者明显多于女性。
  色盲：隐性基因 $c$ 在 X 上，Y 无等位基因。男性为 半合子，$X^cY$ 即色盲；女性患者须 $X^cXc$ 纯合。
  色盲♀ × 正常♂ → 儿子全色盲（像母），女儿全正常（像父）。

• X 连锁显性遗传（XD）

  显性致病基因在 X 上。女性患者约为男性2倍以上，女性多为杂合发病。
  如 抗维生素D佝偻病（$R$ 显性）：肾小管对磷重吸收障碍 → 血磷降、尿磷增、身材矮小、下肢弯曲。

• Y 连锁遗传（限雄遗传，holandric inheritance）

  Y 与 X 差别区段上的基因随 Y 传递，仅父传子、不传女。
  如 毛耳缘（外耳道生黑色硬毛），只限男性，青春期后出现，印第安人群较常见。

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遗传的第三定律——连锁交换定律·

完全连锁与不完全连锁·

灰体（$B$）对黑体（$b$）显性，长翅（$Vg$）对残翅（$vg$）显性。灰长（BBVgVg）× 黑残（bbvgvg）→ $F_1$ 全灰长（BbVgvg）。两种测交结果不同：

• 测交(1)：$F_1$ 雄 × 黑残♀ —— 完全连锁（complete linkage）

  按自由组合应得4种1:1:1:1，实际 只有灰长、黑残两种且数目相等。
  因 $B、Vg$ 同处一条染色体、$b、vg$ 同处同源另一条，倾向共同遗传即 连锁（linkage）。果蝇雄蝇为完全连锁，连锁基因100%一起传递。

• 测交(2)：$F_1$ 雌 × 黑残♂ —— 不完全连锁（incomplete linkage）

  出现4种表型，比率 0.42:0.42:0.08:0.08，亲本型远多于重组型。
  重组型源于 同源染色体非姐妹染色单体间发生交换。

重组率（RF）与交换·

• 连锁群（linkage group）

  位于同一对染色体上的基因群。基因数远多于染色体数，每条染色体载有成百上千基因。果蝇有 4个连锁群。

• 交换（crossing over）

  发生于减数分裂 I 前期的 粗线期、双线期。连锁两基因经交换可产生 $AB、ab、Ab、aB$ 四种配子，其中 $Ab、aB$ 为 重组型，使连锁基因发生类似自由组合的重组。

• 重组频率（recombination frequency, RF）

  重组型后代占后代总数的百分率： $$\text{RF} = \frac{\text{重组型数目}}{\text{亲本型数目} + \text{重组型数目}}$$

连锁交换定律内容·

同一染色体上两对及以上基因遗传时，联合共同出现的频率大于重新组合的频率；重组型产生源于配子形成时 同源染色体非姐妹染色单体间的局部交换。重组频率大小与连锁基因在染色体上的位置有关。

利用重组率进行基因定位（gene mapping）·

摩尔根的学生 斯特蒂文特（Sturtevant） 用重组率确定基因的排列顺序与相对距离。
推理：若 $a、b、c$ 直线排列，则 $a-c = (a-b)±(b-c)$；两基因相距越远，交换可能性越大。

• 单位：1% 重组率 = 1厘摩（centimorgan, cM）。
• 实例（果蝇第2染色体）

  测得 $b-vg=17%$、$b-cn=9%$、$vg-cn=9.5%$。因 $b-cn$、$vg-cn$ 约为 $b-vg$ 的一半，推知 $cn$ 位于 $b、vg$ 中央，顺序为 $b-cn-vg$。
  据此绘制的线性示意图即 染色体图（连锁图，linkage map）。利用重组率定位是最基本而经典的方法。

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细胞质遗传·

基因功能表达在细胞质中完成（如花瓣色素在质中合成），且 线粒体、叶绿体 中含有自主基因。

• 定义与别名

  主要受核外遗传物质控制，称 细胞质遗传（cytoplasmic inheritance），又称 核外遗传 / 染色体外遗传。

• 遗传特点

  核外基因在细胞质中 随机传递，不同于核基因的均等分配。
  $F_1$ 通常 只表达母方性状，后代 不出现一定比例的分离，故又称 非孟德尔式遗传（non-Mendelian inheritance）。

• 紫茉莉绿白斑实例（Correns, 1909）

  植株茎叶有全绿、全白、绿白嵌合三型。
  不同枝条花朵互相授粉，后代颜色完全依母本枝条而定，与父本花粉无关：绿枝种子→全绿苗，白枝→全白苗，绿白斑枝→白、绿、绿白斑三种苗且比例不定。
  原因：绿色部分细胞质含正常 叶绿体，白色部分缺乏正常叶绿体（为败育无色颗粒）。雌配子（胚珠）含细胞质，雄配子（花粉管）几乎不含质体（plastid）；有丝分裂中细胞质随机分裂，故比例不定。