第12章 遺傳及發(fā)育

第十二章遺傳與發(fā)育重點(diǎn)1.基因表達(dá)與發(fā)育。2.同行異位現(xiàn)象和同行異位基因。3.細(xì)胞的全能性。發(fā)育：高等生物從受精卵開(kāi)始發(fā)育經(jīng)過(guò)一系列細(xì)胞分裂和分化新個(gè)體。個(gè)體發(fā)育的特點(diǎn)：基因作用形成個(gè)體的各種性狀個(gè)體發(fā)育的方向和模式第一節(jié)細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)在個(gè)體發(fā)育中的作用細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)是細(xì)胞生存必不可少的兩部分，個(gè)體發(fā)育缺一不可。細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)在個(gè)體發(fā)育中分工合作共同完成由基因型（包括核基因和質(zhì)基因）所預(yù)定的各種基因表達(dá)過(guò)程，包括對(duì)外界環(huán)境條件變化作出反應(yīng)。一、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用：動(dòng)、植物卵細(xì)胞是單細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)內(nèi)除細(xì)胞器有分化外，還存在動(dòng)物極、植物極、灰色新月體和黃色新月體等分化發(fā)育成特定組織和器官。受精卵分裂①海膽受精卵第一、二次分裂，順著對(duì)稱(chēng)軸方向進(jìn)行。②如果將四個(gè)卵裂細(xì)胞分開(kāi)每一個(gè)卵裂細(xì)胞都能發(fā)育成小幼蟲(chóng)各個(gè)卵裂細(xì)胞中細(xì)胞質(zhì)相同。③第三次卵裂方向與對(duì)稱(chēng)軸垂直分裂的8個(gè)卵裂細(xì)胞分開(kāi)后，就不能發(fā)育成小幼蟲(chóng)。在卵裂開(kāi)始時(shí)，順著赤道面把卵切成兩半使其一半含有動(dòng)物極，一半含有植物極。帶核的動(dòng)物極一半受精后發(fā)育成空心而多纖毛的球狀物。帶核的植物極一半受精后發(fā)育成較復(fù)雜但不完整胚胎。兩者都不能正常發(fā)育而夭折。海膽切割試驗(yàn)植物的細(xì)胞質(zhì)對(duì)于細(xì)胞分化起著重要作用。

例如花粉粒的發(fā)育：花粉母細(xì)胞形成四個(gè)小孢子小孢子核經(jīng)過(guò)第一次配子有絲分裂后形成二個(gè)子核一個(gè)核移到細(xì)胞質(zhì)稠密的一端生殖核＋另一個(gè)移到細(xì)胞另一端營(yíng)養(yǎng)核。如果小孢子發(fā)育不正常，核分裂面與正常分裂面垂直兩個(gè)子核處于同樣的細(xì)胞質(zhì)環(huán)境，則不能發(fā)生營(yíng)養(yǎng)核和生殖核的分化，不能進(jìn)行第二次孢子有絲分裂不能發(fā)育為成熟的花粉粒。卵細(xì)胞的發(fā)育也是如此，遠(yuǎn)離珠孔一極的細(xì)胞質(zhì)較多，靠近珠孔一極的細(xì)胞質(zhì)較少。大孢母細(xì)胞經(jīng)過(guò)減數(shù)分裂形成的四個(gè)大孢子中遠(yuǎn)離珠孔的一個(gè)子細(xì)胞能繼續(xù)分裂和發(fā)育為胚囊，其余3個(gè)退化說(shuō)明細(xì)胞質(zhì)的不同部分對(duì)卵細(xì)胞的分化會(huì)產(chǎn)生不同的影響。二、細(xì)胞核在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用：

傘藻（Acetabularia）:大型單細(xì)胞海生綠藻，自頂部到根部長(zhǎng)約6~9cm成熟時(shí)，頂部長(zhǎng)出一個(gè)傘狀的子實(shí)體（fluitingbody），子實(shí)體因物種不同而異。細(xì)胞核在基部的假根內(nèi)。在歐洲，有一個(gè)種叫地中海傘藻（A.mediterranea，子實(shí)體邊緣為完整的圓形。另一個(gè)種叫裂緣傘藻（A.crenulate），子實(shí)體邊緣裂成分瓣形。原因：控制子實(shí)體形態(tài)的物質(zhì)是mRNA它在核內(nèi)形成后迅速向藻體上部移動(dòng)編碼決定子實(shí)體形態(tài)的特殊蛋白質(zhì)合成。試驗(yàn)肯定了核在傘藻個(gè)體發(fā)育中的主導(dǎo)作用。三、細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)在個(gè)體發(fā)育中的相互依存：在個(gè)體發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)相互依存、不可分割，細(xì)胞核起主導(dǎo)作用。

細(xì)胞核內(nèi)的“遺傳信息”個(gè)體發(fā)育方向和模式為蛋白質(zhì)（包括酶）合成提供模板（mRNA）各種RNA控制細(xì)胞代謝方式和分化程序。

細(xì)胞質(zhì)則是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所并為DNA復(fù)制、mRNA轉(zhuǎn)錄、tRNA或rRNA合成提供原料和能量。*如葉綠體形成受制于核基因，但葉綠體中RuBp羧化酶的生物合成8個(gè)大亞基（由葉綠體基因組編碼）＋

8個(gè)小亞基（由核基因組編碼）。*細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)能調(diào)節(jié)和制約核基因的活性相同細(xì)胞核在不同細(xì)胞質(zhì)的影響下產(chǎn)生細(xì)胞的分化。其中細(xì)胞質(zhì)不等分裂起著重要作用控制細(xì)胞的分化。

海膽受精卵和植物小孢子分裂后的分化可以說(shuō)明這一點(diǎn)。四、環(huán)境條件的影響：環(huán)境中很多生物及非生物因子調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)影響生物個(gè)體發(fā)育。

例如植物與病原菌之間的互作：病原菌侵染植物病菌釋放的誘導(dǎo)子識(shí)別受抗病基因控制的受體激活細(xì)胞產(chǎn)生NO、H2O2

植物產(chǎn)生過(guò)敏性反應(yīng)，殺死病原菌同時(shí)誘導(dǎo)植物防衛(wèi)相關(guān)基因表達(dá)，如幾丁質(zhì)酶、葡聚糖酶等水解酶（降解真菌細(xì)胞壁）或誘導(dǎo)苯丙氨酸解氨酶基因及其它與細(xì)胞壁形成有關(guān)基因的表達(dá)（加強(qiáng)植物細(xì)胞壁），抵御病菌侵入。植物誘導(dǎo)抗性是外界因子對(duì)個(gè)體發(fā)育中基因表達(dá)調(diào)控的另一種形式。在蠶豆感病品種上接種炭疽菌前預(yù)先接種其它真菌，該感病品種可表現(xiàn)出抗炭疽病。

原因：真菌誘導(dǎo)出對(duì)炭疽菌的抗性伴隨著防衛(wèi)相關(guān)基因的表達(dá)。有些誘導(dǎo)可使植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性：如在第一片葉上接種一種病原物，使第二片葉或隨后長(zhǎng)出新葉抗其它病菌，包括病毒、細(xì)菌、真菌等多種病原物。其它一些非生物因子，如加熱、冷凍、干旱、積澇、受傷、紫外線(xiàn)、激素及化合物等都可誘導(dǎo)相關(guān)的基因的表達(dá)，影響植物個(gè)體發(fā)育。但環(huán)境因子誘導(dǎo)基因表達(dá)中的一些信號(hào)傳遞機(jī)制尚在研究之中。第二節(jié)基因?qū)€(gè)體發(fā)育的控制一、個(gè)體發(fā)育的階段性：個(gè)體發(fā)育的起始時(shí)間：從受精卵開(kāi)始分裂開(kāi)始。高等植物個(gè)體發(fā)育的階段：2.胚胎經(jīng)過(guò)生長(zhǎng)（細(xì)胞增加和擴(kuò)大），營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期生殖生長(zhǎng)期，分化成不同形態(tài)特征和生理特性。3.發(fā)育生物學(xué)研究表明連續(xù)的發(fā)育階段是按預(yù)定的順序依次接連發(fā)生的。4.上一階段趨向完成，“啟動(dòng)”下一階段的開(kāi)始。例如：煙草生長(zhǎng)到10對(duì)葉片并顯現(xiàn)花序時(shí)，按葉片上下順序分離葉片的表皮細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)。①由最基部?jī)蓚€(gè)葉片表皮細(xì)胞長(zhǎng)成的培養(yǎng)株只長(zhǎng)出兩片葉子就不再生長(zhǎng)。②第3、4片葉表皮細(xì)胞培養(yǎng)株長(zhǎng)出3~4對(duì)葉后開(kāi)花。③第5~7對(duì)葉片表皮細(xì)胞培養(yǎng)株長(zhǎng)出2對(duì)葉就開(kāi)花。④第8~10對(duì)葉片表皮細(xì)胞培養(yǎng)株長(zhǎng)出一個(gè)葉片開(kāi)花。⑤花序表皮細(xì)胞的培養(yǎng)株很快分化出花芽直接開(kāi)花?！喈?dāng)植株發(fā)育到某一階段時(shí)，在該階段分化的組織和細(xì)胞，就達(dá)到與該階段相應(yīng)的發(fā)育狀態(tài)。當(dāng)這種發(fā)育狀態(tài)是該組織和細(xì)胞的分化終點(diǎn)時(shí)，不再向前發(fā)展。但一旦脫離周?chē)M織而離體培養(yǎng)，就開(kāi)始新的個(gè)體發(fā)育里程。離體表皮細(xì)胞可以在原來(lái)發(fā)育階段的基礎(chǔ)上，繼續(xù)向前生長(zhǎng)。

5.個(gè)體發(fā)育特性是由：①內(nèi)在的因素——遺傳，是基因序列在不同時(shí)間上的選擇性表達(dá)；②外在的因素——環(huán)境條件和周?chē)?xì)胞的影響。二、基因與發(fā)育模式：個(gè)體發(fā)育的不同階段，按照預(yù)定方向和模式發(fā)展，決定于個(gè)體所帶的基因。

同形異位現(xiàn)象：器官形態(tài)與正常相同，但生長(zhǎng)的位置卻完全不同。

如多指、雙頭、多翅、多花瓣等。

同形異位基因：控制個(gè)體的發(fā)育模式、組織和器官形成的一類(lèi)基因。

機(jī)理：主要通過(guò)調(diào)控其它重要的形態(tài)及器官結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，來(lái)控制生物發(fā)育及器官形成。在果蠅、動(dòng)物、真菌、植物及人類(lèi)等真核生物中已發(fā)現(xiàn)有同形異位基因的存在。受同形異位基因調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)基因包括控制細(xì)胞分裂、紡錘體形成和取向、細(xì)胞分化等發(fā)育過(guò)程的基因。（一）果蠅發(fā)育中的同形異位基因：同形異位基因最早發(fā)現(xiàn)于果蠅胚胎發(fā)育中。果蠅有兩組同形異位基因，位于第三染色體上。

腹胸節(jié)基因：基因突變將第三胸節(jié)轉(zhuǎn)變成第二胸節(jié)，平衡器轉(zhuǎn)變成一對(duì)多余的翅膀（3個(gè)編碼基因）。

觸角腳基因：基因突變使頭上的觸角變成一對(duì)腳（5個(gè)編碼基因）。（二）高等植物發(fā)育中的同形異位基因：

高等植物：從受精卵發(fā)育成具有不同器官的完整植株同形異位基因也起著關(guān)鍵作用。

1991年，首先克隆玉米打結(jié)基因（Knotted1）和擬南芥無(wú)配子基因（Agamous）許多植物同形異位基因已分離和鑒定基因調(diào)控模型。擬南芥和金魚(yú)草：有三組同形異位基因控制花器分化發(fā)育。①控制初級(jí)花的分生組織：突變體只形成花序分生組織，不形成花的分生組織。②控制花的對(duì)稱(chēng)性：突變體形成非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的花。③控制花器器官的形成：突變體可產(chǎn)生多種花器。植物同形異位基因的特點(diǎn)：①植物同形異位基因也編碼轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)控其它結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)；②同形異位基因結(jié)構(gòu)非常保守，具有一因多效作用；③植物同形異位基因位于不同的染色體上。

遺傳分析及分子原位雜交研究發(fā)現(xiàn)，至少有5種基因參與控制花器發(fā)育。

無(wú)花瓣基因（Apetala）1和2（AP1、AP2）控制萼片；

無(wú)花瓣基因1、2和3（AP1、AP2、AP3）+雌蕊基因（Pistillata，PI）共同表達(dá)花瓣形成；

無(wú)配子基因（Agamous,AG）+無(wú)花瓣基因AP2、AP3

+雌蕊基因PI控制雄花；

AG和AP2兩個(gè)基因控制心皮形成。正常情況下，AG基因可阻止AP2基因在雄蕊和心皮原基中表達(dá)，AP2也可阻止AG基因在萼片和花瓣中表達(dá)。結(jié)果：

AG基因突變可使AP2在雄蕊及心皮中過(guò)量表達(dá)

導(dǎo)致只形成萼片及花瓣，不形成雄蕊及心皮。

AP2基因突變使AG在萼片及花瓣中表達(dá)在花瓣處形成雄蕊，在萼片處形成心皮。

AP2或PI基因突變則不形成雄蕊。三、基因與發(fā)育過(guò)程：個(gè)體發(fā)育階段性轉(zhuǎn)變的過(guò)程不同基因被激活或被阻遏的過(guò)程（實(shí)質(zhì)）?；虮磉_(dá)？蛋白質(zhì)、mRNA、突變型與野生型的差異上可加以判斷。（一）噬菌體的分化和自然裝配：噬菌體侵入大腸桿菌合成噬菌體mRNA

利用宿主核糖體翻譯合成能裂解宿主DNA的酶合成噬菌體DNA。合成“早期”的蛋白質(zhì)合成“晚期”蛋白質(zhì)（頭部外殼蛋白質(zhì)、尾部及各種附屬結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)和溶菌酶）溶菌酶裂解細(xì)菌的細(xì)胞壁新噬菌體釋放。70個(gè)控制T4噬菌體合成和裝配的基因可分成二類(lèi)：早期基因：主要控制早期侵染行為；晚期基因：主要控制蛋白質(zhì)合成和溶菌酶基因突變新噬菌體。不同基因突變體混合可裝配成新的噬菌體。

﹡

左邊的突變系缺少尾絲；

﹡右邊的突變系缺少頭部。

﹡當(dāng)這兩種突變系的裂解液混合培養(yǎng)在30℃條件下完整噬菌體。（二）細(xì)胞粘菌的發(fā)育控制：在粘菌的不同發(fā)育階段內(nèi)部相應(yīng)地產(chǎn)生不同的階段性專(zhuān)一酶。

羅密斯（Loomis，1977）按照其發(fā)育時(shí)期將細(xì)胞粘菌的階段性專(zhuān)一酶劃分為三類(lèi)：

早期酶

N-乙酰葡萄糖胺酶，α-甘露糖苷酶；

中期酶蘇氨酸脫氨酶，海藻糖磷酸合成酶；

晚期酶堿性磷酸酯酶，β-葡萄糖苷酶。（三）高等植物發(fā)育中基因的順序表達(dá)：高等植物發(fā)育中基因表達(dá)：時(shí)間和空間上的精確控制。

特定發(fā)育時(shí)期有關(guān)基因根據(jù)植物發(fā)育的需要依次表達(dá)某些mRNA及蛋白質(zhì)合成。例如，在胚胎發(fā)育或花芽分化過(guò)程的不同階段，會(huì)出現(xiàn)不同的階段性專(zhuān)一酶酶的合成受制于不同基因依次開(kāi)啟或關(guān)閉。大豆子葉期至胚成熟中期(花后25~95天)，有14000至18000種不同mRNA分子存在。大豆種子發(fā)育過(guò)程中７種不同類(lèi)型mRNA出現(xiàn)時(shí)間及

相對(duì)數(shù)量（線(xiàn)條粗細(xì)代表mRNA的相對(duì)含量）-遺傳學(xué)緒論-水稻稻米品質(zhì)性狀的表現(xiàn)會(huì)受到不同發(fā)育時(shí)期中基因表達(dá)所產(chǎn)生的遺傳效應(yīng)的影響。

如下圖：親本影響雜種后代不同發(fā)育時(shí)期稻米品質(zhì)性狀表現(xiàn)的胚乳加性效應(yīng)具有較大差異，且主要表現(xiàn)為以灌漿前中期的差異為主，成熟期已停止表達(dá)。-遺傳學(xué)緒論-（四）高等動(dòng)物發(fā)育中基因的順序表達(dá)：人的血紅蛋白是由兩條相同的α鏈和兩條相同的β鏈聚合而成的四聚體，即α2、β2。α鏈和β鏈分別由獨(dú)立遺傳的兩個(gè)基因簇編碼。﹡α鏈基因簇：1個(gè)ξ基因，2個(gè)α基因，一個(gè)ξ假基因和2個(gè)α假基因。﹡β鏈基因簇：有5個(gè)功能性基因（1ε，2γ，1δ和1β），1個(gè)β假基因。第三節(jié)細(xì)胞全能性一、細(xì)胞全能性：多細(xì)胞生物：每一個(gè)細(xì)胞都具有一套完整的遺傳信息。細(xì)胞全能性：個(gè)體某個(gè)器官或組織已經(jīng)分化的細(xì)胞，在適宜的條件下，可以再生成完整個(gè)體的遺傳潛力。

1902年，德國(guó)植物學(xué)家哈伯蘭特提出細(xì)胞全能性，該理論是植物組培的理論基礎(chǔ)

自然情況下，高等植物的個(gè)體發(fā)育分化雌雄配子經(jīng)受精作用產(chǎn)生合子完成自然的去分化過(guò)程（dedifferentiation）恢復(fù)為具有全能性的分生細(xì)胞再次發(fā)生分化產(chǎn)生各種組織、器官和細(xì)胞。生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，各細(xì)胞受發(fā)育階段及所在組織、器官環(huán)境的約束，表現(xiàn)出特定的功能，不能表現(xiàn)全部功能。

如果脫離這種約束，成為游離狀態(tài)，并且得等必需的營(yíng)養(yǎng)和相應(yīng)的激素，就能經(jīng)去分化恢復(fù)全能性，具有類(lèi)似合子的功能。

1958年，斯圖爾德（StewardF.C.）用野生胡蘿卜根的單個(gè)韌皮部細(xì)胞離體培養(yǎng)，成功長(zhǎng)出了幼株。-遺傳學(xué)緒論-1.

Steward（1958）：用野生胡蘿卜離體培養(yǎng)長(zhǎng)出幼株。2.uha和Maheshwari（1964和1966）：以曼陀羅的花藥離體培養(yǎng)產(chǎn)生了單倍體花藥植株。3.ampbell（1996）：將羊胚細(xì)胞核移植到去核卵母細(xì)胞，培育出克隆羊；1997年，利用成年羊分化細(xì)胞的核，移植到去核的卵母細(xì)胞，培育出克隆羊。4.鼠、牛、馬、猴等動(dòng)物的克隆也已取得較大成功。-遺傳學(xué)緒論-組織培養(yǎng)-遺傳學(xué)緒論-動(dòng)物克隆技術(shù)：

1938年漢斯?斯皮曼建議用成年細(xì)胞核植入卵細(xì)胞的辦法進(jìn)行哺乳動(dòng)物克隆。

1984年斯蒂恩?威拉德森用胚胎細(xì)胞克隆出一只羊。這是第一例得到證實(shí)的克隆哺乳動(dòng)物。-遺傳學(xué)緒論-克隆牛-遺傳學(xué)緒論-利用克隆鼠克隆出的三代老鼠首次采用無(wú)性繁殖技術(shù)培育動(dòng)物的成功案例。2000年6月16日，世界第一只體細(xì)胞克隆山羊“元元”在西安誕生。-遺傳學(xué)緒論-克隆馬（2003）二、細(xì)胞全能性的應(yīng)用——組織培養(yǎng)技術(shù)組織培養(yǎng)技術(shù)：是在無(wú)菌的條件下將活器官、組織或細(xì)胞置于培養(yǎng)基內(nèi)，并放在適宜的環(huán)境中，進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)而成的細(xì)胞、組織或個(gè)體。這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和生物、醫(yī)藥的研究。

1.植物組織培養(yǎng)分類(lèi)：（1）胚胎培養(yǎng)：指以從胚珠中分離出來(lái)的成熟或未成熟胚為外植體的離體無(wú)菌培養(yǎng)。（2）器官培養(yǎng)：指以植物的根、莖、葉、花、果等器官為外植體的離體無(wú)菌培養(yǎng)。（3）組織培養(yǎng)：指以分離出植物各部位的組織（如分生組織、形成層、木質(zhì)部、韌皮部、表皮、皮層、胚乳組織、薄壁組織、髓部等），或已誘導(dǎo)的愈傷組織為外植體的離體無(wú)菌培養(yǎng)。這是狹義的植物組織培養(yǎng)。

（4）細(xì)胞培養(yǎng)：指以單個(gè)游離細(xì)胞（如用果酸酶從組織中分離的體細(xì)胞，或花粉細(xì)胞、卵細(xì)胞）為接種體的離體無(wú)菌培養(yǎng)。（5）原生質(zhì)體培養(yǎng)：指以除去細(xì)胞壁的原生質(zhì)體為外植體的離體無(wú)菌培養(yǎng)。2.植物組織培養(yǎng)特點(diǎn)：（1）培養(yǎng)條件可以人為控制：人為提供的培養(yǎng)基和小氣候環(huán)境條件，擺脫了大自然中四季、晝夜的變化以及災(zāi)害性氣候的不利影響，且條件均一，便于穩(wěn)定地進(jìn)行周年培養(yǎng)生產(chǎn)。（2）生長(zhǎng)周期短，繁殖率高：不同植物不同部位而提供不同的培養(yǎng)條件，因此生長(zhǎng)較快。另外，植株也比較小，往往20-30天為一個(gè)周期。所以，雖然組培需要一定設(shè)備及能源消耗，但由于植物材料能按幾何級(jí)數(shù)繁殖生產(chǎn)，故總體來(lái)說(shuō)成本低廉。

（3）管理方便，利于工廠化生產(chǎn)和自動(dòng)化控制：在一定的場(chǎng)所和環(huán)境下，人為提供一定的溫度、光照、濕度、營(yíng)養(yǎng)、激素等條件，極利于高度集約化和高密度工廠化生產(chǎn)，也利于自動(dòng)化控制生產(chǎn)。它是未來(lái)農(nóng)業(yè)工廠化育苗的發(fā)展方向。與盆栽、田間栽培等相比省去了中耕除草、澆水施肥、防治病蟲(chóng)等一系列繁雜勞動(dòng)，可以大大節(jié)省人力、物力及田間種植所需要的土地。3.植物組織培養(yǎng)一般過(guò)程：（1）準(zhǔn)備階段：查閱相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)已成功培養(yǎng)的相近植物資料，結(jié)合實(shí)際制訂出切實(shí)可行的培養(yǎng)方案。配制適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)消毒劑以及不同培養(yǎng)階段所需的培養(yǎng)基，并經(jīng)高壓滅菌或過(guò)濾除菌后備用。（2）外植體選擇與消毒：選擇合適的外植體，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理后