第12章 遺傳及發(fā)育

第十二章遺傳與發(fā)育重點1.基因表達與發(fā)育。2.同行異位現(xiàn)象和同行異位基因。3.細胞的全能性。發(fā)育：高等生物從受精卵開始發(fā)育經(jīng)過一系列細胞分裂和分化新個體。個體發(fā)育的特點：基因作用形成個體的各種性狀個體發(fā)育的方向和模式第一節(jié)細胞核和細胞質(zhì)在個體發(fā)育中的作用細胞核和細胞質(zhì)是細胞生存必不可少的兩部分，個體發(fā)育缺一不可。細胞核和細胞質(zhì)在個體發(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）所預定的各種基因表達過程，包括對外界環(huán)境條件變化作出反應。一、細胞質(zhì)在細胞生長和分化中的作用：動、植物卵細胞是單細胞細胞質(zhì)內(nèi)除細胞器有分化外，還存在動物極、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，順著對稱軸方向進行。②如果將四個卵裂細胞分開每一個卵裂細胞都能發(fā)育成小幼蟲各個卵裂細胞中細胞質(zhì)相同。③第三次卵裂方向與對稱軸垂直分裂的8個卵裂細胞分開后，就不能發(fā)育成小幼蟲。在卵裂開始時，順著赤道面把卵切成兩半使其一半含有動物極，一半含有植物極。帶核的動物極一半受精后發(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。海膽切割試驗植物的細胞質(zhì)對于細胞分化起著重要作用。

例如花粉粒的發(fā)育：花粉母細胞形成四個小孢子小孢子核經(jīng)過第一次配子有絲分裂后形成二個子核一個核移到細胞質(zhì)稠密的一端生殖核＋另一個移到細胞另一端營養(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子核處于同樣的細胞質(zhì)環(huán)境，則不能發(fā)生營養(yǎng)核和生殖核的分化，不能進行第二次孢子有絲分裂不能發(fā)育為成熟的花粉粒。卵細胞的發(fā)育也是如此，遠離珠孔一極的細胞質(zhì)較多，靠近珠孔一極的細胞質(zhì)較少。大孢母細胞經(jīng)過減數(shù)分裂形成的四個大孢子中遠離珠孔的一個子細胞能繼續(xù)分裂和發(fā)育為胚囊，其余3個退化說明細胞質(zhì)的不同部分對卵細胞的分化會產(chǎn)生不同的影響。二、細胞核在細胞生長和分化中的作用：

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

細胞核內(nèi)的“遺傳信息”個體發(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控制細胞代謝方式和分化程序。

細胞質(zhì)則是蛋白質(zhì)合成的場所并為DNA復制、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個大亞基（由葉綠體基因組編碼）＋

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

海膽受精卵和植物小孢子分裂后的分化可以說明這一點。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)控相關基因表達影響生物個體發(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子識別受抗病基因控制的受體激活細胞產(chǎn)生NO、H2O2

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

原因：真菌誘導出對炭疽菌的抗性伴隨著防衛(wèi)相關基因的表達。有些誘導可使植物產(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出新葉抗其它病菌，包括病毒、細菌、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、激素及化合物等都可誘導相關的基因的表達，影響植物個體發(fā)育。但環(huán)境因子誘導基因表達中的一些信號傳遞機制尚在研究之中。第二節(jié)基因?qū)€體發(fā)育的控制一、個體發(fā)育的階段性：個體發(fā)育的起始時間：從受精卵開始分裂開始。高等植物個體發(fā)育的階段：2.胚胎經(jīng)過生長（細胞增加和擴大），營養(yǎng)生長期生殖生長期，分化成不同形態(tài)特征和生理特性。3.發(fā)育生物學研究表明連續(xù)的發(fā)育階段是按預定的順序依次接連發(fā)生的。4.上一階段趨向完成，“啟動”下一階段的開始。例如：煙草生長到10對葉片并顯現(xiàn)花序時，按葉片上下順序分離葉片的表皮細胞進行培養(yǎng)。①由最基部兩個葉片表皮細胞長成的培養(yǎng)株只長出兩片葉子就不再生長。②第3、4片葉表皮細胞培養(yǎng)株長出3~4對葉后開花。③第5~7對葉片表皮細胞培養(yǎng)株長出2對葉就開花。④第8~10對葉片表皮細胞培養(yǎng)株長出一個葉片開花。⑤花序表皮細胞的培養(yǎng)株很快分化出花芽直接開花。∴當植株發(fā)育到某一階段時，在該階段分化的組織和細胞，就達到與該階段相應的發(fā)育狀態(tài)。當這種發(fā)育狀態(tài)是該組織和細胞的分化終點時，不再向前發(fā)展。但一旦脫離周圍組織而離體培養(yǎng)，就開始新的個體發(fā)育里程。離體表皮細胞可以在原來發(fā)育階段的基礎上，繼續(xù)向前生長。

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

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：控制個體的發(fā)育模式、組織和器官形成的一類基因。

機理：主要通過調(diào)控其它重要的形態(tài)及器官結構基因的表達，來控制生物發(fā)育及器官形成。在果蠅、動物、真菌、植物及人類等真核生物中已發(fā)現(xiàn)有同形異位基因的存在。受同形異位基因調(diào)節(jié)的結構基因包括控制細胞分裂、紡錘體形成和取向、細胞分化等發(fā)育過程的基因。（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)變成一對多余的翅膀（3個編碼基因）。

觸角腳基因：基因突變使頭上的觸角變成一對腳（5個編碼基因）。（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鍵作用。

1991年，首先克隆玉米打結基因（Knotted1）和擬南芥無配子基因（Agamous）許多植物同形異位基因已分離和鑒定基因調(diào)控模型。擬南芥和金魚草：有三組同形異位基因控制花器分化發(fā)育。①控制初級花的分生組織：突變體只形成花序分生組織，不形成花的分生組織。②控制花的對稱性：突變體形成非對稱結構的花。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：①植物同形異位基因也編碼轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)控其它結構基因的表達；②同形異位基因結構非常保守，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。

無花瓣基因（Apetala）1和2（AP1、AP2）控制萼片；

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

無配子基因（Agamous,AG）+無花瓣基因AP2、AP3

+雌蕊基因PI控制雄花；

AG和AP2兩個基因控制心皮形成。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，AP2也可阻止AG基因在萼片和花瓣中表達。結果：

AG基因突變可使AP2在雄蕊及心皮中過量表達

導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)育過程：個體發(fā)育階段性轉(zhuǎn)變的過程不同基因被激活或被阻遏的過程（實質(zhì)）。基因表達？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)、尾部及各種附屬結構的蛋白質(zhì)和溶菌酶）溶菌酶裂解細菌的細胞壁新噬菌體釋放。70個控制T4噬菌體合成和裝配的基因可分成二類：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)部相應地產(chǎn)生不同的階段性專一酶。

羅密斯（Loomis，1977）按照其發(fā)育時期將細胞粘菌的階段性專一酶劃分為三類：

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：高等植物發(fā)育中基因表達：時間和空間上的精確控制。

特定發(fā)育時期有關基因根據(jù)植物發(fā)育的需要依次表達某些mRNA及蛋白質(zhì)合成。例如，在胚胎發(fā)育或花芽分化過程的不同階段，會出現(xiàn)不同的階段性專一酶酶的合成受制于不同基因依次開啟或關閉。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)育過程中７種不同類型mRNA出現(xiàn)時間及

相對數(shù)量（線條粗細代表mRNA的相對含量）-遺傳學緒論-水稻稻米品質(zhì)性狀的表現(xiàn)會受到不同發(fā)育時期中基因表達所產(chǎn)生的遺傳效應的影響。

如下圖：親本影響雜種后代不同發(fā)育時期稻米品質(zhì)性狀表現(xiàn)的胚乳加性效應具有較大差異，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。-遺傳學緒論-（四）高等動物發(fā)育中基因的順序表達：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鏈分別由獨立遺傳的兩個基因簇編碼。﹡α鏈基因簇：1個ξ基因，2個α基因，一個ξ假基因和2個α假基因。﹡β鏈基因簇：有5個功能性基因（1ε，2γ，1δ和1β），1個β假基因。第三節(jié)細胞全能性一、細胞全能性：多細胞生物：每一個細胞都具有一套完整的遺傳信息。細胞全能性：個體某個器官或組織已經(jīng)分化的細胞，在適宜的條件下，可以再生成完整個體的遺傳潛力。

1902年，德國植物學家哈伯蘭特提出細胞全能性，該理論是植物組培的理論基礎

自然情況下，高等植物的個體發(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程（dedifferentiation）恢復為具有全能性的分生細胞再次發(fā)生分化產(chǎn)生各種組織、器官和細胞。生長發(fā)育過程中，各細胞受發(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)，并且得等必需的營養(yǎng)和相應的激素，就能經(jīng)去分化恢復全能性，具有類似合子的功能。

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

Steward（1958）：用野生胡蘿卜離體培養(yǎng)長出幼株。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）：將羊胚細胞核移植到去核卵母細胞，培育出克隆羊；1997年，利用成年羊分化細胞的核，移植到去核的卵母細胞，培育出克隆羊。4.鼠、牛、馬、猴等動物的克隆也已取得較大成功。-遺傳學緒論-組織培養(yǎng)-遺傳學緒論-動物克隆技術：

1938年漢斯?斯皮曼建議用成年細胞核植入卵細胞的辦法進行哺乳動物克隆。

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

1.植物組織培養(yǎng)分類：（1）胚胎培養(yǎng)：指以從胚珠中分離出來的成熟或未成熟胚為外植體的離體無菌培養(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），或已誘導的愈傷組織為外植體的離體無菌培養(yǎng)。這是狹義的植物組織培養(yǎng)。

（4）細胞培養(yǎng)：指以單個游離細胞（如用果酸酶從組織中分離的體細胞，或花粉細胞、卵細胞）為接種體的離體無菌培養(yǎng)。（5）原生質(zhì)體培養(yǎng)：指以除去細胞壁的原生質(zhì)體為外植體的離體無菌培養(yǎng)。2.植物組織培養(yǎng)特點：（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、晝夜的變化以及災害性氣候的不利影響，且條件均一，便于穩(wěn)定地進行周年培養(yǎng)生產(chǎn)。（2）生長周期短，繁殖率高：不同植物不同部位而提供不同的培養(yǎng)條件，因此生長較快。另外，植株也比較小，往往20-30天為一個周期。所以，雖然組培需要一定設備及能源消耗，但由于植物材料能按幾何級數(shù)繁殖生產(chǎn)，故總體來說成本低廉。

（3）管理方便，利于工廠化生產(chǎn)和自動化控制：在一定的場所和環(huán)境下，人為提供一定的溫度、光照、濕度、營養(yǎng)、激素等條件，極利于高度集約化和高密度工廠化生產(chǎn)，也利于自動化控制生產(chǎn)。它是未來農(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、防治病蟲等一系列繁雜勞動，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)一般過程：（1）準備階段：查閱相關文獻，根據(jù)已成功培養(yǎng)的相近植物資料，結合實際制訂出切實可行的培養(yǎng)方案。配制適當?shù)幕瘜W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)過適當?shù)念A處理后