普通遗传学-第44章

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9。鸭 — 3 3 3 7 24 26 25 29 61 62 66
10。鸽 — 4 4 8 24 27 26 30 59 62 66
11。鸡 — 2 8 28 26 26 31 61 62 66
12。企鹅 — 8 28 27 28 30 62 61 65
13。海龟 — 30 27 30 33 65 64 67
14。响尾蛇 — 38 40 41 61 61 69
15金枪鱼。 — 34 41 72 66 69
16采采蝇。 — 16 58 63 65
17蛾。 — 59 60 61
18。脉孢菌 — 57 61
19。酵母 — 41
20。念珠菌 —
表14…5　　在20种生物中编码细胞色素c的基因的最低核苷酸差别数（以人为标准）
以最小突变距离绘制的系统树与依据方法如形态学和古生物学证据建立的系统树基本一致。当然也有不一致的地方，如其中鸡和企鹅的关系比它与鸭和鸽子的关系密切一些，人与其他哺乳动物的分歧发生的有袋类与非灵长目的有胎盘哺乳动物的分歧之前。
由于细胞色素C是进化很慢的蛋白质，所以不适于用来测定关系很密切的生物之间的进化变异。对于亲缘关系近的物种，则应采用进化速度比细胞色素C快的蛋白质。如长115个氨基酸的碳酸酐酶（carbonic　anhydrase）就可用来较精确地测定人与其他灵长目动物的关系。
这种系统发育研究方法也可用来测定进化期间通过基因重复形成的有关分子，如各种血红蛋白链（hemoglobin）、肌红蛋白（myoglobin）等。同比较物种的进化关系一样，通过比较每一条多肽键的变异也可建立系统树（图16…7）。肌红蛋白分子和各种血红蛋白链起源于共同的祖先序列，而且4种血红蛋白链（珠蛋白链）的起源都相同。
两个物种之间的同一单链α—珠蛋白链或β—珠蛋白链也可进行比较。人与其近缘物种间的差异是显而易见的。人与黑猩猩的α—和β—珠蛋白链的序列相同，而大猩猩与人只在每一条链中有一个氨基酸的差别（表14…6）。



















图14…6　　　由细胞色素C基因核苷酸序列的差异推导出的20种生物的系统树
图中数字为每分枝所要求的核苷酸代换数
表14…6　　人与其他生物之间α—和β—珠蛋白链的比较
生物 人与各种生物间的氨基酸差异 生物 人与各种生物间的氨基酸差异
α—链 β—链 α—链 β—链
黑猩猩
大猩猩
猕猴
家鼠
羊
猪 0
1
5
19
26
20 0
1
10
31
33
28 马
兔
鸡
大袋鼠
鲤鱼
七鳃鳗 22
28
45
—
93
113 30
16
—
54
—
—
总而言之，多肽链的氨基酸序列资料对研究生物的进货具有极其重要的作用，其最重要的价值是直接对造成进化变异的遗传基础进行研究，是对其他进化证据的有力补充。
14。3。3　　核苷酸序列与系统发育
不同来源的DNA分子之间进行杂交是研究进化的一种非常有效的方法。这里只作扼要说明。当双链DNA分子加热到熔解温度或用碱处理时，其氢键就会被打断而形成单链。如果缓慢降低温度或使PH恢复到接近中性，任何两条具有序列互补性的单链又可形成稳定的双链形式。如果不同来源的DNA单链之间或DNA单链与RNA通过碱基互补形成双链，就产生杂种双链，这就是核酸分子杂交的基础。








图14…7　　肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）的系统发育树
这两类基因首先通过重复，最后造成氨基酸序列不同
在研究不同物种间DNA序列的多样性时，须对其中一个物种的DNA进行放射性标记，使其具有放射性，并且还须将单拷贝部分即在单倍体基因组中只出现一次序列分离出来。然后再将这些具放射性的单拷贝序列加热，使其解离成单链，接着，一方面使其与本种的单链DNA杂交即所谓同源反应（homologous　reaction），另一方面也使其与其他种的单拷贝单链DNA杂交即所谓异源反应（heterologous　reaction）。最后，测定同源和异源双链DNA分子的热稳定性（△Tm），二者的热稳定性差异就是两个物种的核苷酸序列的分歧。热稳定性是指50％的双链DNA解离的温度值，是对两种核苷酸序列的一种度量，如1℃的△Tm值（即两个种的热稳定性相差1℃）约相当于有1％的核苷酸序列不配对。根据上述原理，对海胆（Strongylocentrotus）两个种的试验结果如图14…8。根据热稳定差异知道S。purpuratus和S。franciscanus的核苷酸序列分歧大约为19％。根据上述试验资料并参照化石记录，可知这两个种的分歧发生在1500万~2000万年以前。









图14…8　　海胆S。purpuratus/S。purpuratus单拷贝
DNA（圆球）和S。purpuratus/S。purpuratus
单拷贝DNA（三角）的热稳定性
采用同样方法对高等灵长目动物DNA进行比较可以得到比较精确的系统发育结论。依据染色体研究以及蛋白质和同工酶差异的资料很难准确地解决黑猩猩、大猩猩和人的分类学关系、因为这些物种的亲缘关系很近。采用单拷贝DNA序列杂交的资料并参照化石记录就可以阐明高等灵长目动物的进化分歧类型和发生分歧的时间（图14…9）。这种亲缘关系的度量值称为△T50H，与前述Tm值的意义相近。根据图14…9知道，人类（Homo　sapiens）与黑猩猩（Pantrog—lodyes）的亲缘关系较近，其△T50H值为1。9，比距大猩猩（G。gorilla）系统发育的△T50H值小。黑猩猩与大猩猩的系统发育分歧约发生在800万~1000万前年，与人类的分歧发生在630万~770万年前，与小黑猩猩（P。paniscus）的分歧发生在240万~300万年前。











图14…9　　根据DNA分子杂交的热稳定性绘制的灵长目动物和系统树
每一分歧点下的数字为△T50H值，进化分歧点参考化石记录和核苷酸变异加以确定
14。3。4　　　基因组的进化
在自由生活的生物中，细胞内DNA含量也与进化过程存在密切关系。不同生物按细胞内DNA含量不同，可归为四大重叠类群（图14…10）。
细菌的DNA含量最低，变动于0。003~0。01pg之间，为第一类。真菌每细胞的DNA平均含量不足0。1pg，为第二类。第三类包括大多数动物和某些植物。动物类包括海胆、两栖动物、鸟类和哺乳动物。第四类生物平均每细胞的DNA含量大于10pg，包括蝾螈、某些鱼和许多植物。
在进化过程中，每细胞DNA含量从细菌到真菌、到动物、到植物依次有大量增加的趋势。几乎所有高等真核生物的基因组都大于0。1pg，表明维持高等真核生物体的组成需要达到最低DNA含量。DNA含量多少与细胞核大小呈正相关，但与细胞内染色体数目多少并不一定有相关性。
关于进化期间每个单倍体基因组中DNA含量的增加有几种解释。多倍体化可能是一种增加DNA含量的机制。一个细胞的染色体加倍时，DNA也加倍。多倍体现象在植物中是较普通的，但在动物中则是少见的。








图14…10　　按每细胞DNA含量不同对生物的分类
1pg=10…12　g=109gp（核苷酸对）
较小DNA片段的重要和缺失是DNA量进化变异的最普遍过程。关于基因重复引起进化的最好例子是组成血红蛋白的珠蛋白基因家族。　人体的血红蛋白含有2条α—珠蛋白链和2条β—珠蛋白链。编码这些珠蛋白的基因分成2个基因家族（图14…11）即α—和β—珠蛋白链基因家族。每一基因家族都是几个基因衔接在一起，组成一个基因簇，但各个基因之间都由一段短的序列隔开。α—珠蛋白基因簇位于人体的第3染色体上，β—珠蛋白基因簇则位于第11染色体上。






图14…11　　人的α—和β—珠蛋白基因的组织
小方块示基因，β—珠蛋白基因簇中的圆圈为重复序列，ψ为假基因
在β—珠蛋白基因簇中，ε基因在胚胎中表达，r　基因在胎儿中表达，成人表达β和δ基因。根据这些基因的DNA序列差异绘出的系统发育树（图14…12）推测，α—和β—基因簇最实是在5亿年以前通过重复而发生分歧的，成人的β—和δ基因约在2亿年前即在两栖动物进化的某个阶段与其亲生发生分歧，而胚胎和胚儿的序列可能在1亿年前、在哺乳动物开始分化时发生分歧的。成人的β—和δ序列可能在4000万年前，即在高等灵长目动物分化之前而相互发生分歧的。
比较各个珠蛋白基因的DNA序列的结果表明，这些基因还在进一步通过碱基替换和小片段的重复和缺失进行分歧。其理由是在这两个基因簇中都存在一些结构不完整的不具功能的假基因（pseudogene）。假基因能够累积导致基因失活的突变，也可作为新基因起源的基础。因此，假基因的形成可能是高等真核生物进化的重要因素之一。









图14…12　　根据珠蛋白基因编码区的核苷酸序列绘制的系统发育序列
虚线示尚未确定的关系
多基因家族的进化非常特殊。第一，额外的基因拷贝可以在最小选择压下进化。由于一个基因家族中只需一个基因行使功能，因此额外拷贝就不会受功能上的限制。第二，由于功能上不受严格限制，重复基因就可发生进化分歧，其中有些基因就可能成为具有潜在功能的基因。β—珠蛋白基因家庭的不同成员在发育的不同阶段和不同生理状态下进行表达就是最好的例子。第三，在某些情况下，某种特殊基因保留多个拷贝可能具有优越性，使其功能加强，从而使一个基因家族作为一个单位进化，基因家族中各个基因的序列相似性就可通过选择压被保留下来。这种在一个基因家庭中保持遗传均一性的整个过程称为协同进化（concerted　evolution）。
14。4　　进化的特殊领域——动植物的抗药性
自第二次世界大战以来，各种人工合成的杀虫剂被广泛用来杀灭农作物害虫和对人类生活和健康有害的动物。但是，由于长期和大量使用药物，致使许多害虫都产生了抗药性并使抗药性、在群体中迅速蔓延，从而使药物的使用浓度越来越高，对生态环境的破坏越来越严重。据1969年调查，世界上有15个蚊种对杀虫剂有抗性，到1976年则有43个蚊种对DDT有抗性。又如在
1970年以前，没有发现植物对除草剂有抗性，但是到1985年则有48种植物至少对一种除草剂产生了抗性。因此，生物体抗药性的产生和扩展越来越受到社会各方面的重视。抗药性的产生和扩展首先是由于害虫或植物发生了基因突变，然后这类遗传变异再通过自然选择和基因流动群体之间扩展。因此，抗药性实际上就是生物体对化学药物的一种进化反应。
14。4。1　　影响抗药性的因素
有几种因素影响害虫抗药性的进化，但形成抗药性的基本条件是生物体必须具备对杀虫剂产生抗性的生理学、解剖学机制或其他机制。在很多情况下，同一物种的不同品系表现出不同方式的抗药性。如果某个群体存在潜在抗药性，那么其他一些因素就协助决定该群体是否表现出抗性。
首先，群体中必须存在新的、具有遗传先进性的变异体或变异类型，这类变异体或者是突变产生的，或者是从其他群体迁入的。抗性变异体在群体中增加的程度依开始的频率、显性度和选择先性等因素表现不一。如果某个变异体为显性且选择先进性很大，在群体中频率就提高得很快。而且，许多害虫的世代周期都很短，一年多代，产卵率很高，这些都有利于抗性的进化。此外，还有一些抗性基因位于叶绿体和线粒体DNA中，通过母本遗传方式在群体中扩展。在细菌中，抗性基因可能位于质粒上如抗生素抗性基因。由于质粒可以在同种的不同个体间也可在不同种间进行水平传递，因此许多抗生素抗性细菌就成为医离疗上的主要问题。此外，细菌还具有一种前适应基因型（preadaptive　genotype），使抗生素抗性在很多细菌中迅速传播，如在抗生素尚未问世的20世纪30年代保存至今的细菌样品中也有某些菌株具有抗生素抗性。又如从世界上从未使用过抗生素的地区采集的某些细菌样品也表现出抗生素抗性。
14。4。2　　抗药性的遗传基础
抗药性的机制非常复杂，现以几种生物的抗药性为例对抗药性的遗传基础加以讨论。褐鼠（Rattus　norvegicus）是世界上一种分布广泛的、对农业和居家有害的动物，在美国利用抗凝血剂杀鼠灵（warfarin）灭鼠15年，后来发现褐鼠对这种化学农药的抗药性进化非常快，而且在美国和欧洲许多国家都发现了这种抗药性褐鼠，根据遗传学研究知道，抗药性受常染色体上的一个显性等位基因R控制。大多数抗药性动物都是这一等位基因的杂合体Rr，野生型即药物敏感型个体则是隐性纯合体rr，而显性纯合体RR的生存能力则又相当低（表14…7）。RR纯合体生存率降低的原因是其对维生素K的高度依赖性所致。
表14…7　　褐鼠R座位上的相对适合度
rr Rr RR
杀鼠灵 敏感 抗 抗
维生素K依赖性 无 中度 高度
相对适合度 0。68 1。0 0。37
由于杂合体的净生存先进性总体水平较高，所以用灭鼠灵就使群体保持了稳定的遗传多态性。根据对抗药性等位基因频率连续数年保持稳定的群体的分析，基因型杂合体的数目很高，不符合依据遗传平衡定律推算的结果，3种基因型的相对适合度分别为0。68、1。0和0。37（表16…7），表现了很强的杂合体先进性。在另一群体中，当停止施用杀鼠灵后，其抗性等位基因的频率又迅速下降。
在抗药性进化研究方面，植物对除草剂莠去净（atrazine）的抗性遗传研究是很详细的。有些杂草在施用莠去净以后很快就能产生抗药性。并使其通过母体遗传，表明叶绿体或线粒体基因编码这种抗性功能。进一步分析知道，由叶绿体基因pbsA编码的一种与光合作用有关的蛋白质受莠去净的影响。根据对苋菜（Amaranthus）的抗和非抗植株的氨基酸序列和DNA序列的比较分析知道，在该基因中有3个位点的核苷酸存在差别，其中有2个位点的核苷酸变异不影响蛋白质中氨基酸的组成，但第3个位点的变异则导致多肽链第228位的丝氨酸变成甘氨酸（图14…13）。正是这一变化使PsbA蛋白失去对除草剂莠去净的亲和性，使植物对除草剂产生抗性。
抗 CAA　　　TAT　　　GCT　　GGT　　TTC　　AAC
　　Gln　　　　Tyr　　　　　　　Gly　　　　　　　Phe　　Asn

敏感 　　CAA　　　TAT　　　　　　AGT　　　　　TTC　　　AAC
　　　Gln　　　Tyr　　　Ala　　　　　　　Ser　　　　　Phe　　　Asn
氨基酸位置 　　　225　　　　　226　　　227　　228　　229　　　　　230
图14…13　　苋菜的pbsA抗性品系和pbsA敏感品系的部分DNA序列和氨基酸序列
方框内的核苷酸和氨基酸示二者之间的差别
另一方面，有些昆虫可以通过合成大量脱毒的酯酶对有机磷农药产生抗性。例如，某些蚊子的抗药性品系的酯酶合成水平是敏感品系的500倍以上。但目前对蚊子过度合成酯酶的遗传和生化机制都还不清楚。


主要参考文献
1。　宋运淳，余选觉，普通遗传学，武昌；武汉大学出版社，1989
2。　Gardner　E　J；　Simmons　M　J；　Snustad　D　P。　Principles　of　Genetics。　8th　ed。New　York：；Johe　Wiley　and　Sons　Inc　；1991
3。　Klug　W　S；　Cummings　M