普通遗传学-第28章
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植株作为父本，则条纹叶按孟德尔方式遗传（图9…4a），F1为绿色植株，F2代绿色植株和条纹植株按3∶1的比例分离。但在以条纹叶植株作为母本，正常绿色植株为父本时，F1出现3种表型：正常绿色，条纹，和白色（图9…4b），且不呈一定比例。看起来就像父本的基因型不能控制埃型条纹性状的表达。因此，尽管核基因与埃型条纹有关，其遗传模式仍受母体影响。
图9…4 玉米的埃型条纹遗传
（a）母本为正常绿色植株，显示孟德尔式遗传 （b）母本为条纹突变体，表现细胞质遗传的特征
将有条纹的F1用作母本和纯合野生型回交，仍然出现F1的3种表型：正常绿色，条纹和白色（图9…4b）。这就是说野生型等位基因Ij不管是在杂合状态还是在纯合状态，植株都表现为突变型。显然，改变后的质体被复制且继续传递下去。在这个例子中，突变起源于核基因，但是一旦质本发生变化，就显示出细胞质遗传的特征，一直被持续下去，它的保持不再需要隐性基因ij的存在，即质体具有一定程度的遗传自主性。同时表明核基因型也能影响某些细胞质性状。
9。3。1。4 衣藻的核外基因
由于高等植物的生理构造和繁殖方式的复杂性，细胞质遗传研究常常只能通过对杂交（正交、反交及连续回交等）后代的表型分析来进行。许多藻类、真菌等低等植物则有比较简单的繁殖方式，世代短，易于实验室培养，是遗传研究的好材料。这些生物在异型杂交以后，二倍体合子进行减数分裂，产生的每一个子细胞就是一个完整的个体。这种繁殖特点为遗传分析创造了良好的条件。衣藻就是一个常用于叶绿体基因研究的简单植物。
衣藻（Chlamydomonas）是一种单细胞的绿色藻类，属真核生物，含有一个大的叶绿体和数目众多的线粒体，是研究母性遗传极好的系统。衣藻的生活史很简单（图9…5），包括有性过程和无性过程。与真菌一样，藻类几乎没有性别分化，但它们有两种交配类型，由一个基因位点的等位基因控制。两个属于不同交配类型的细胞可以杂交，类似有性过程。不同交配类型形体上虽相同但生理上有差异，这种现象也称为雌雄异株。在衣藻中，两种交配类型称为正接合型（mt＋）和负接合型（mt…）。mt就是决定交配型的基因。在酵母中交配型等位基因是a和a，在红色面包霉中是A和a。衣藻在进行有性生殖时，mt＋细胞与mt…细胞接合形成二倍的合子，相当于精子和卵细胞的受精过程。合子通过减数分裂产生4个单倍体孢子。其中两个是mt＋型，两个是mt…型，总是按1：1分离。每个单倍体孢子都能通过无性繁殖（有丝分裂）产生大量同类个体（图9…5）在培养基上形成能反映其基因型的细胞群。因此，无性世代是单倍体。
图9…5 衣藻的生活史
野生型的衣藻对链霉素敏感。R。Sager在1954年报导了它的第一个细胞质突变体——抗链霉素突变体。目前已得到两类抗链霉素的突变品系，一类按孟德尔方式遗传，另一类则通过细胞质遗传，如突变系Sr…500。正接合的Sr…500（str…r mt＋）与负接合的野生型（str…mt…）杂交的F1都抗链霉素，对str…r mt＋型用str…s mt…型连续回交，后代仍保持链霉素抗性（图9…6a）。在没有链霉素存在的条件下培养多年的F1无性繁殖系仍然能保持其抗性。在反交中，F1全是链霉素敏感型，连续用Sr…500（str…r mt…）回交，后代细胞始终是敏感型（图9…6b）。由此可以看出衣藻的链霉素抗性呈母性遗传，这里把它称为单亲遗传（uniparental inheritance）。与此相反，交配型基因mt在杂交后代总是按1：1的方式分离，一半是mt＋，一半是mt…。
图9…6 衣藻抗链霉素特性的遗传
（a）正交 （b）反交
衣藻抗链霉素特性的遗传方式表明链霉素抗性因子具有与染色体基因相同的性质，可以复制，并且能够稳定遗传；但是，它只能由mt＋亲本传递，且在减数分裂中不发生分离。在衣藻中现已筛选到大量的抗抗生素的突变系，都呈单亲遗传。生化分析表明这些抗性来自叶绿体。前面已提到衣藻只有一个叶绿体，如果两种交配型的叶绿体以同样的频率向后代传递，就不可能出现单亲遗传现象。后来发现，mt…型的叶绿体在接合中总是被丢失。
大约5％的衣藻杂交后代细胞质不发生分离。这些后代保留了双亲的叶绿体（在随后的细胞分裂中最终会分离），使双亲叶绿体基因间有可能发生重组。对各种各样的突变表型的重组频率分析表明叶绿体基因组是一个环状连锁群。
9。3。1。5 红色面包霉的poky突变
在红色面包霉的生活史中，两种接合型都可以产生原子囊果和分生孢子。原子囊果相当于一个卵细胞，它包括细胞核和细胞质两部分。原子囊果可以被相对接合型的分生孢子授精，分生孢子在授精中只提供一个单倍体的细胞核。1952年Marry Mitchell分离到了一种红色面包霉中的“缓慢生长型”突变，将其之称为poky。这种poky突变体（poky mutant）与野生型的正反交后代在表型上有明显的差异：
正交：poky（♀）×野生型（♂）→poky突变型
反交：野生型（♀）×poky（♂）→全为野生型
在杂交中如果用poky突变体为母本，缓慢生长特性可以一直传递下去。上述正反交中，所有核基因均表现出1：1的分离，表明poky突变属细胞质遗传。在poky突变体中，不含有细胞色素a和b，但细胞色素c的含量超过正常值。细胞色素是线粒体上的电子传递蛋白，与能量转换有密切联系。与正常个体线粒体相比，这种突变型的线粒体在结构和功能上均表现不正常。
对丝状真菌如红色面包霉和曲霉，还可以用异型核测验来研究细胞质遗传。让疑为细胞质基因突变的突变系如缓慢生长突变的菌丝和一个已知为核突变的突变系的菌丝融合形成异型核。如果在异型核产生的单核孢子中，能分离得到既为核突变又为缓慢生长突变的新类型，那么这个缓慢生长突变就很可能发生在细胞质，因为在异型核中不发生核基因重组。缓慢生长特性一定来自细胞质。异型核的细胞质来自融合的双方，在细胞分裂过程中细胞器可能经历了分离和重组。
9。3。1。6 啤酒酵母的petite突变
和红色面包霉一样，啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）也是一种子囊菌。有性生殖时，两个交配型不同的单倍体细胞融合，形成二倍体合子。二倍体合子可以通过芽殖进行无性繁殖，形成二倍体菌落；也可以经减数分裂形成4个单倍体子囊孢子。这4个孢子代表减数分裂的4个产物，排列不规则，但可以一个一个地分开，单独培养进行遗传分析（图9…7）。在合适条件下，不论单倍体或双倍体细胞，都可以芽殖。
图9…7 啤酒酵母的生活史
a和a代表不同的交配型，在子囊壳中按2：2分离
1940年Boris Ephrussi和他的同事首次描述了酵母中的“小菌落”（petite colony）突变现象。野生型酵母细胞在固体培养基上形成较大的菌落（grand colony）。在这些大菌落中偶尔出现一些小菌落突变体。当把这些小菌落突变体分离出来单独培养时，从遗传方式上可将它们分成3类。第一种类型为分离型小菌落（segragation petites），这种小菌落和正常大菌落杂交后，后代中一半为正常菌落，另一半为小菌落，这种孟德尔方式的1：1分离表明此种小菌落表型是核基因突变的结果；第二种类型的小菌落为中性小菌落（neutral petites），此类菌落与正常型菌落杂交后，后代全部为正常菌落，表现为单亲遗传；第三种类型的小菌落突变体称为抑制性小菌落（suppressive petites），在该菌落与正常菌落杂交的后代孢子中，一些长成大菌落，另一些长成小菌落，且正常菌落和小菌落的比例是不定的，具有菌系特异性。例如，有些抑制型小菌落在这样的杂交中只产生形成小菌落的孢子。
在酵母菌丝融合过程中两种交配型对二倍体细胞质的贡献是相等的。中性小菌落和抑制型小菌落的遗传与衣藻抗药性不同，独立于交配型，显然是受细胞质基因影响的结果，因此被称为细胞质小菌落。进一步研究发现它们与线粒体有关：
（1）在细胞质小菌落中，线粒体中负责ATP合成的电子呼吸链已失去功能，细胞生长所需的能量不得不依赖于能量产生效率较低的发酵途径。它们不能在只具不可发酵能源（如甘油）的培养基上生长。
（2）正常线粒体中有自己独特的蛋白质合成装置，但在细胞质小菌落没有，因而没有蛋白质合成。
（3）在中性小菌落突变系中，缺乏线粒体遗传物质——线粒体DNA（mtDNA）；而在抑制型小菌落突变系中，mtDNA的结构、组成均有较大改变。
9。3。2 叶绿体和线粒体基因作图
9。3。2。1 叶绿体基因作图
在叶绿体中存在很多基因。和核基因一样，我们想知道它们是在同一连锁群还是在几个连锁群上，或者说它们彼此是独立分离还是相互连锁的。如果连锁，那么它们的连锁程度和排列又是如何？在经典的核基因遗传研究中，基因的重组分析能够帮助我们回答这些问题。但是，重组分析的前提是双亲的遗传物质必须在一起，而叶绿体位于细胞质中，叶绿体基因依靠细胞质传递，例如在衣藻中表现为单亲遗传。如何解决这个难题呢？这里我们又要依靠生物中存在的一些特殊遗传方式。
在9。3。1。4中已提到过在衣藻中有很少部分杂交后代细胞质不发生分离，保留了双亲的叶绿体。例如，在衣藻的str…r mt＋×str…s mt…中，发现了约0。1％的后代合子中同时含有str…r和str…s，因为在这些合子体的减数分裂后代中，既有抗链霉素类型又有对链霉素敏感的类型，这种合子体称为双亲合子体（biparental zygotes），其细胞质基因组呈杂合状态，这样就提供了研究细胞质基因重组的可能性。在正常情况下双亲合子体的频率很低，研究起来有困难。但是如果在接合前用紫外线处理mt＋亲本，双亲合子体的频率可达40％~100％。表明未经处理的mt＋细胞可能有消除mt…细胞的叶绿体遗传物质的作用。
从1954年Sager获得衣藻抗链霉素突变开始，到1967年已得到上百个突变体。利用这些突变体进行了大量的杂交，通过对双亲合子体后代叶绿体基因的分离和重组频率分析，就可以建立它们之间的连锁关系。最有效的连锁分析方法之一是调查同一个杂交中来自双亲的两个叶绿体基因的共分离情况。如果两个基因紧密连锁，那么一个基因经历细胞质分离，另一个基因也会随着细胞质分离。这种共分离的频率与基因间的距离呈反比。Sager证明叶绿体基因间的距离是加性的，唯一与之不一致的地方可以用叶绿体遗传物质呈环状的现象来解释。环状叶绿体遗传物质在几种不同植物中得到了证明。图9…8是衣藻叶绿体基因组的遗传图谱。
图9…8 衣藻叶绿体的环状基因组
ap：附着点，acl、ac2：醋酸缺陷型，sm5、sm6：链霉素依赖性，sm2：高水平链霉素抗性，
sm3：低水平链霉素抗性，spc：壮观霉素抗性，car：碳霉素抗性，ery：红霉素抗性，
ole：夹竹桃素抗性，spi：螺旋霉素抗性，tml：对温度敏感，cle：锁霉素抗性
9。3。2。2 线粒体基因作图
大多数生物的线粒体DNA呈环状双链结构。对mtDNA的遗传作图可以通过重组分析，缺失分析等方法进行。下面以酵母为例，介绍线粒体基因作图。
1。 重组分析
首先挑选具有两对不同核外等位基因的两个个体杂交，在后代中检测重组个体出现的情况。例如，在啤酒酵母中将抗红霉素及螺旋霉素的抗性个体（eryRspiR）和对这两种抗生素都敏感的个体（erySspiS）杂交，让二倍体合子进行出芽生殖。在二倍体的芽殖过程中，细胞质会发生分离和重组（CSAR）在经历几次芽殖后，诱导其进行配子体生殖产生囊孢子。一个芽体产生一个子囊，每个子囊中有4个子囊孢子，根据其表型就可推断出芽体的胞质基因型。对胞质基因来说，这4个子囊孢子是相同的，在eryRspiR×erySspiS中，得到了预期的所有4种基因型，具体数目如下：
eryRspiR 63
erySspiS 48
erySspiR 7
eryRspiS 1
其中，erySspiR和eryRspiS是重组类型，重组率Rf=（7＋1）/（63＋48＋7＋1）=6。7％，即ery和spi的遗传距离为6。7％。这些重组类型不可能是减数分裂的产物，因为任何一个减数分裂细胞产生的4个分生孢子的抗药性都相同。如果来自减数分裂，每个发生重组的芽体将形成重组型和亲本型两种孢子。随着调查位点的增多，就可以对基因排序，得到完整的线粒体基因组遗传图谱。
利用重组分析进行线粒体基因作图存在着较大的局限性。首先，线粒体重组是一个群体现象，在经过多轮重组后，大多数基因都表现为不连锁，重组分析只能检测出那些靠得非常近的基因的连锁。其次，酵母的重组过程受到一个特异的遗传因子——ω的影响，而且一些线粒体中有ω因子，另一些中又缺乏，使得重组分析结果的可靠性较差。
2。 缺失分析
酵母中出现的小菌落突变体，已被证明是mtDNA的缺失所致。此外，一些抗药性突变体也属线粒体遗传。当将带有抗药性且菌落正常的个体单独培养时，往往会出现小菌落突变体，若再加入某些诱变剂，突变频率更高。那么，这样的小菌落是否也具有抗药性，抗药性会不会因为突变而丧失呢？对小菌落突变体细胞不能直接进行抗药性鉴定。鉴定的办法是把这样的小菌落与对药物敏感但菌落正常的个体接合，诱导二倍体合子进行出芽生殖，得到一定数的二倍体营养体。这些二倍营养体基上可长出数量不等的小菌落和大菌落。对其中的二倍体大菌落进行抗药性鉴定，如果原来的小菌落仍保持了抗药性，一些大菌落就会通过线粒体基因组重组获得抗药基因，因而表现为抗药性，反之则不能。在将eryR中选出的小菌落与eryS大菌落接合后确实出现了两种类型的后代：一种是既有eryR的大菌落又有eryS的大菌落，一种是仅出现eryS的大菌落（图9…9）。前者后代中的抗药性只可能是来自小菌落。而仅出现eryS说明小菌落中决定大菌落的野生型基因和eryR基因已同时丧失。
多个基因同时缺失的小菌落突变体可用于基因作图。从兼抗几种药物如eryR capR oliR spiR的大菌落中筛选出小菌落突变体，将之与对这几种药物都敏感的大菌落酵母接合，然后鉴定小菌落突变体的抗药性，检查哪些抗药性被保留下来。通过比较基因对一起被保留或丢失的频率就可以知道哪些基因是紧密连锁的。对任何一对基因，一起被丢失的频率越高，连锁就越紧密。
图9…9 来自大菌落eryR的小菌落突变系中抗药性的保持或丢失的鉴定
图中小菌落细胞1保留了抗性基因，小菌落细胞2丢失了抗性基因
9。4 其他细胞质遗传因子
在有些真核生物细胞质中，除了质和线粒体等必不可少的成分外，还有一些非必需的、以共生形式存在的颗粒或侵染微生物，被称为共生体（symbiont）。�
