【听课笔记】复旦大学遗传学_02非孟德尔遗传+数量性状遗传

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二、非孟德尔遗传

1. 两种非孟德尔遗传

1.1 核外遗传

• 核外遗传 (extranuclear inheritance) 是由细胞质基因所决定的遗传现象，属于非孟德尔遗传。
• 核外遗传主要包括叶绿体遗传和线粒体遗传。

叶绿体遗传

• 发现：植物的枝叶色斑的遗传。

• 叶绿素在叶绿体合成和表达，依赖于叶绿体基因，因此植物的绿色叶片是由叶绿体决定的。

• 在植物细胞内有时会同时存在有叶绿素的叶绿体和不含叶绿素的叶绿体（异质性），细胞分裂时，两种叶绿体会随机分配到子代细胞中，多次分裂后，可能导致部分细胞群内并不含有叶绿素，出现无规律的白斑（有规律的白斑通常是时空特异性表达的结果，在此暂不考虑）。
  

• 紫茉莉的叶绿体遗传遵循母系遗传（maternal inheritance）。约 80%高等植物的叶绿体遵循母系遗传。
  

• 以天竺葵为代表的其它植物遵循双系遗传 ( biparental inheritance )。
  注意：双系遗传不等于细胞核的孟德尔遗传，双系遗传中，亲本对后代的贡献比例是完全随机的，后代没有可预测的分离比。
  

线粒体遗传

• 酵母线粒体遵循双系遗传。
• 植物的线粒体遗传较不规律：母系、父系和双系遗传均有。
• 绝大多数动物的线粒体遵循母系遗传包括人。
• 案例：氨基糖苷类药物性耳聋
  氨基糖苷类药物的毒副作用。
  部分人群对常规剂量（安全范围）的氨基糖苷类抗生素易感耳聋。
  
• 典型的线粒体遗传病家系
  
• 线粒体遗传特点 ：
  （1）表型的不规律分离：线粒体突变多的聚集到某个受累器官，就可能发病。
  
  （2）阈值效应：
  眼睛、耳朵、脑、心脏和肌肉是常见的受累器官。
  原因：线粒体基因组的 13 个蛋白质编码基因编码的都是呼吸链相关蛋白质。当这些基因突变时，呼吸链的功能可能出现问题。当正常 mtDNA 的供能不足以维持正常细胞功能，即表现出疾病，即阈值效应。阈值与细胞的能量需求密切相关，因此，眼睛、耳朵、脑、心脏和肌肉等高耗能的组织更易受突变 mtDNA 的影响。
  （3）遗传瓶颈效应：
  卵母细胞发育过程中，线粒体数目会骤减，初级卵母细胞会携带比例不同的突变线粒体，成熟卵细胞受精后得到的个体就会有不同程度的表型。
  

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1.2 核质互作

• 核质互作 (nucleocytoplasmic interaction) : 由细胞质基和细胞核基因互作控制的性状的遗传。
• 真核细胞中细胞核与线粒体、叶绿体之间在遗传信息和基因表达调控等层次上建立的分子协作机制。有序的核质互作是线粒体、叶绿体以及细胞整体生命活动的必要保证。
• 案例：利用核质互作培育杂交植物
  ■ 在作物育种中，利用核质互作筛选雄性不育系植株是杂交育种的关键步骤。
  ■ 杂交水稻利用的是杂种优势，即两个遗传组成不同的亲本杂交产生的杂种第一代，在生长势、生活力、繁殖力、抗逆性、产量和品质上比其双亲优越的现象。
  ■ 水稻主要是自花授粉，天然条件下得不到杂种，培育杂交水稻需要利用水稻的可育性。
  ■ 1971 年，袁隆平院士在海南发现了野生的水稻雄性不育株，长出雄穗时，整个植株不能开花散粉，而雌穗发育正常，只要授予另一个植株的花粉，就能结出种子，这种特性是受细胞质基因控制的，可经过母系遗传给子代。袁隆平院士就是利用这种天然不育水稻，不断杂交筛选，得到中国杂交水稻“三系”，大大提升了亩产量。
  ■ 杂交水稻“三系”
  杂交水稻“三系”包括雄性不育系、雄性不育恢复系和雄性不育保持系。
  
  ■ “二区三系”制种法：
  △ 隔离一区：繁殖不育系和保持系。交替种植不育系和保持系，不育系的花粉是从保持系来的，因此不育系上收获的种子仍是不育系；保持系植株自花授粉，因此保持系上收获的种子仍是保持系。因此，此区可同时繁殖不育系和保持系。
  △ 隔离二区：杂种制种隔离区，交替种植不育系和恢复系。不育系的花粉是从恢复系来的，因此不育系上收获的种子是杂交种子，可供大田生产使用；恢复系植株自花授粉，因此恢复系上收获的种子仍是恢复系。因此，此区可同时繁殖杂交种和恢复系。
  

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2. 数量性状遗传

• 质量性状的特征：
  ◆ 质量性状如贝壳颜色、豌豆的花色、籽粒的饱满程度等性状。
  ◆ 表型之间截然不同，具有质的差别，用文字描述的性状称质量性状 ( qualitative trait )，属于简单性状。
  ◆ 在群体中呈间断分布，各性状之间没有过度类型，可以用柱状图来统计。

• 复杂性状：性状特点、遗传规律都是复杂的。如：疾病的易感情况、智商等。

• 两种常见的复杂性状：数量性状、阈值性状。

2.1 数量性状及其特征

• 数量性状：如新生儿的身高体重，作物的产量，奶牛的泌乳量，棉花的纤维长度等。
• 性状之间呈连续变异状态，界限不清楚，不易分类，可被测量并用数字进行描述的性状称为数量性状 ( quantitative trait )。
• 在群体中呈连续分布。
  
• 易患性 (liability) 反映的是个体患病可能性的大小。人群中易患性的变异呈正态分布，群体中大部分个体的易患性都接近于平均水平，但有些个体易患性达到阈值就会表现出症状。
• 阈值性状 ( threshold trait ) 的性状表现不连续，但造成性状变化的原因却是连续的。

2.2 数量性状的统计分析方法

一些基本统计概念

• 总体 (population): 任何有限或无限个体（生物体）的集合。
• 样本 (sample): 总体的一部分。由于总体无法全部观察，往往从总体中抽取有限数目的个体进行观察或实验，这些个体组成的就是一个样本。
• 样本大小 (sample size), 指的是一个样本中被观察个体的数目，–般用 n 表示。n 越大样本的性质就越接近总体。
• 频率分布图 ( frequency distribution ) : 横轴表示性状的测量值，纵轴表示观察值出现的数量或频率。对于连续变化的数量性状通常将可能出现的数值范围分为几个组, 然后统计出现在各个组内的数据次数（频率） , 绘制出一个样本的频率分布图。
• 变量的基本特征：
  ◆ 集中性：反映集中性的是平均数，包括算术平均数、众数等。
  总体算术平均数 $\mu$、样本算术平均数 $\overline{x}$ 、 众数 M₀（出现频率最大的观察值）。
  ◆ 离散性：反映离散性的是变异数，常用的是方差和标准差。
  方差是观察值与平均值（理论值或计算值）偏差的平方和的平均数。
  总体方差 σ²、样本方差 s²；标准差是方差的平方根，总体标准差 σ、样本标准差 s。
  
  

2.3 数量性状的遗传特点

数量性状是连续分布的，因此不能用孟德尔遗传来解释。

Nilsson-Ehle 小麦杂交试验提出，数量性状的连续变异可能是多对等位基因贡献的结果。

• 亲代：纯系的红粒小麦和白粒小麦。
• F1 代：红粒小麦，但显性不完全，红色相对亲本略弱。
• F2 代：从红粒到白粒颜色深浅有不同。且不同亲本杂交的结果不一致，各种红粒（非白粒） : 白粒的比例出现 3:1, 15:1, 63:1 等多个比值。
• 利用一对等位基因的分离规律可以解释 F2 代中 3:1 的分离比。
• 15:1 的假设解释：小麦籽粒颜色由两对等效的等位基因控制，基因作用可以相加，子代表型取决于等位基因中显性基因的个数。
  
• 如果小麦籽粒颜色由三对等效可相加的等位基因控制。基因作用可以相加，子代表型取决于等位基因中显性基因的个数。那么在 F2 中，三对等位基因决定的数量性状的分离比为 1:6:15:20:15:6:1。如果不考虑红色深浅差异，那么，红色、白色的分离比为 63:1。

• 不同分离比的小麦颜色是由于影响表型的等位基因对数不同而导致的。- 当某个性状由多对等位基因决定时，F2 代发生性状分离的程度会随等位基因对数的增加而增加，性状频率分布曲线也随之愈加趋向于正态分布。
• 数量性状的多基因遗传：自然条件下观察到的连续分布的数量性状其实是多对等位基因等效地控制同一表型的结果，数量性状可以用多基因遗传来解释。

East 烟草杂交试验，研究烟草花冠长度，进一步揭示了数量性状遗传的规律。（F3 是将 F2 中特定花冠长度的取出再近交）

数量性状的遗传特点：

• 数量性状的表现型只考虑群体平均值，不强调个体的作用。
• 两个纯合亲本杂交，F1 的表现型一般呈现双亲的中间型。
• 基因型完全相同的纯合亲本和杂交 F1 代内部均存在一定的性状变异，这与环境因素有关。
• F2 的表现型的平均值大体上与 F1 相近，但变异程度远远超过 F1，这与遗传因素有关。
• 决定数量性状的等位基因对数越多，F2 代的性状变异程度就越大。

数量性状的多因素遗传假说

• 多对等位基因共同作用的结果。
• 每对基因对表型表现所产生的效应是微效的。
• 微效基因的效应相等或相近，而且可以相互累加（加性效应）。
• 微效基因的等位基因之间显性不完全。
• 微效基因对环境敏感。
• 数量性状在遗传因素和环境因素的共同作用下表现出连续变异。

小结：

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2.4 遗传率的估算

问题导入

• 植物选育的强度，如筛选高出油率的植物
• 复杂疾病的发病风险
• 如何计算遗传因素对数量性状的贡献程度？

1、遗传变异与表型方差

• 数量性状遗传的数学模型 P = G + E
  ■ 表现型值 : P (phenotype value)
  ■ 表现型值中由基因型所决定的部分称为基因型值 G (genotype value)。
  ■ 而表现型值与基因型值之差就是环境条件弓|起的变异，称为环境离差 E (environmental deviation)。
• 数量性状的表型方差
  ■ Fisher 假设 V_P= V_G+ V_E
  V_P：群体中的表型方差；
  V_G: 群体中由基因型差异引起的变异，称为遗传方差，也称为基因型方差；
  V_E: 环境因素所引起的变异，称为环境方差。
  ■ 在数量性状遗传的数学模型基础上进一步提出了 Fisher 假设，即在数量性状分析中，将方差视为个体表型变异的度量，在一个数量性状群体中观察到的变异有多大程度是由个体遗传因素差异引起的，有多大程度是由环境因素差异引起的。

遗传率

• 遗传率 (heritability) 遗传变异占总变异（表型变异）的比率，用以度量遗传因素与环境因素对性状形成的影响程度，是对杂种后代性状进行选择的重要指标。

• 广义遗传率：指遗传方差占表现型方差的比率。
  h_B²% = V_G / V_P × 100%

• 狭义遗传率：指基因加性方差占表现型方差的比率。
  h_N²% = V_A / V_P × 100%

• 遗传率的意义：
  ■ 遗传率对动植物育种来说有重要的指导意义：一般来说，遗传率高的性状较容易选择, 遗传率低的性状较难选择。
  ■ 遗传率对临床复杂疾病的咨询也有重要的指导意义：遗传率高的疾病，亲属的发病风险较高。
  ■ 遗传率是一个统计学概念，是针对群体，而不适用于个体。

广义遗传率的计算

• 广义遗传率：h_B²% = V_G / V_P × 100%
  
  

遗传方差

• 遗传方差的组成 V_G= V_A+ V_D + V_I
  ■ 加性效应 ( A, additive effect ) 非等位基因的累加效应。
  ■ 显性效应 ( D, dominance effect ) 等位基因内部的互作效应。
  ■ 上位效应 ( I, epitasis effect ) 非等位基因间之间的互作效应。

• 遗传方差的计算
  ■ 一对基因 A, a, 对应的 3 种基因型的平均效应值如下：
  
  ■ MP 是双亲效应值的平均值; a 和 d 是与 MP 效应值的差值。
  ■ 0<|d|<a 表示不完全显性; |d|=a 则表示完全显性; |d|>a 表示超显性。
  
  ■ 假设有多对等位基因 ( A,a B,b Cc… N,n) 调控某一数量性状，它们互不连锁, 没有相互作用关系，则极端性状的纯合亲本杂交 F2 代的遗传方差为：
  其中，V_A 对应的是非等位基因的相加效应所产生的方差。V_D 对应的是等位基因处于杂合态的显性效应所产生的方差。这里没有考虑非等位基因间的相互作用，因此暂时没有 V_I。

狭义遗传率的计算

• 需要分离 V_A 和 V_D，因此除了要知道 P1, P2, F1, F2 的表型方差，还需要统计和分析回交子代的方差。
• 回交情况下遗传方差的计算：
  
  
• 案例：

小结：

• 遗传率反映了遗传变异和环境变异在表型变异中所占的比例；遗传变异的改变或者环境变异的改变都会导致遗传率的改变。
• 植物数量性状的遗传率计算可以帮助植物育种。
• 人类复杂疾病的遗传率的计算在临床实践具有重要意义，但计算方法与本讲不同，可以选用 Falconer 公式与 Holzinger 公式。

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2.5 近交与近交系数

近亲繁殖的分类

• 近交 (inbreeding) 指的是有亲缘关系的个体相互交配，繁殖后代。
• 与近交相反的交配方式是异交 (outbreeding) , 即亲缘关系较远个体间的随机交配。
• 自交 (selfing) 是亲缘关系最近的近交，就是同一个体产生的雌雄配子相互结合，繁殖后代。
• 回交 (backcross) 也是一种近交方式，是杂种与其亲本之一的再次交配。

近亲繁殖的遗传学效应

• 自交的遗传学效应：杂合体自交导致基因分离，后代群体遗传组成迅速趋于纯合化。纯合体增加的速度和强度取决于杂合基因的对数、自交代数和选择强度。
  

• 回交的遗传学效应：杂合子回交导致后代群体遗传组成趋向于轮回亲本的基因组成。
  

近交系数

• 近交系数 (coefficient of inbreeding) 用于估算近交强度的指标，指一个个体从它的某一祖先那里得到一对纯合的、等同的，即在遗传上完全相同的基因的概率。

• 亲缘系数 (coefficient of relationship) 用于度量两个个体间亲缘关系的一个指标，等于两个个体的基因组中相同且同源的基因比例。在数学上，亲缘系数等于两倍的近交系数。

• 同胞结婚所生子女的近交系数：1/4。
  

• 半同胞结婚所生子女的近交系数：1/8。
  

• 堂表兄妹结婚所生子女的近交系数：1/16。
  

• 伴 X 染色体的近交系数：
  ■ 女 XX , 可形成纯合子；男性 XY , 不存在纯合的问题。
  ■ 伴 X 遗传中近亲婚配对男性无影响，只算女性的近交系数。
  ■ 从遗传特点来看：男性→女儿，概率为 1；男性→儿子，概率为 0；女性传递给后代的概率都是 1/2。

• 姨表亲中伴 X 染色体近交系数：3/16。
  

• 姑表亲中伴 X 染色体近交系数：0。
  

• 平均近交系数被用来衡量群体中血缘关系程度或近交的流行程度，等于近交婚配子女数与近交系数的乘积除以总婚配子女数。

• 例如：100 个人的群体，其中 5 人是表兄妹婚配所生，7 人是从表兄妹的婚配所生，计算该群体的平均近交系数。

近亲结婚的危害

• 主要表现为隐性遗传病纯合子患者的频率增高。
• 近亲结婚与随机婚配生育患病子女的概率：隐性等位基因的频率越低，近亲婚配生育隐性患病个体的概率就越显著高于随机婚配的结果。
  
  
• 婚姻法第七条规定：直系血亲间、三代以内旁系血亲间，禁止结婚。即父女之间、母子之间、其他直系血亲之间、兄弟姐妹之间、堂兄弟姐妹之间、表兄弟姐妹之间、伯叔与侄女之间、姑与侄子之间、舅与外甥女之间、姨与外甥之间，均不得通婚。

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