果蝇杂交实验
果蝇杂交实验
【摘要】
经典遗传学的三大遗传定律分别是:分离定律,自由组合定律和连锁与交换规律。果蝇具有生活史短、繁殖率高、饲养简便等特点,是研究遗传学的好材料。本次通过自行设计实验方案,观察后代中果蝇的各种性状,结合各种统计处理方法,从而证明这三大定律并对X染色体上的三对基因进行定位。
【引言】
孟德尔定律是G.J.孟德尔根据豌豆杂交实验的结果提出的遗传学中最基本的定律,包括分离定律和独立分配定律。孟德尔最早选用豌豆,根据从简单到复杂的原则,提出了分离定律和自由组合定律。对之后遗传学的发展奠定了基础。
分离定律(law of segregation)是指在生物的体细胞中,控制同一性状的遗传因子成对存在,不相融合;在形成配子时,成对的遗传因子发生分离,分离后的遗传因子分别进入不同的配子中,随配子遗传给后代。其表现在两个具有相对性状的纯种个体进行杂交,F1代全部表现显性个体的性状,F1代自交,F2代出现隐性个体的性状。并且,在理论上,F2代中,显性个体与隐性个体的比例为3:1。
自由组合定律(the Law of Independent Assortment)是指非同源染色体上的决定不同对性状的基因在形成配子时等位基因分离,不同对基因(非等位基因)之间互不干扰,其实质是F1产生配子时,等位基因分离,非同源染色体上的非等位基因自由组合。最初由孟德尔在做两对相对性状的杂交实验时发现,基因分离比为9:3:3:1。
独立组合位于不同染色体上的2个等位基因是独立传给子代的。因此可在验证自由组合定律的同时,选取其中一组性状来验证分离定律。用于杂交的2对等位基因必须位于不同染色体上,即不能连锁。所以实验选取14号果蝇(残翅vg,檀黑体e;vg基因和e基因分别位于第2、3号染色体上)与18号野生型果蝇杂交,得到F1代杂合体,再由F1代个体自交得到F2代,预计应有野生型、残翅、檀黑体、残翅檀黑体四种表型,其比例应接近9:3:3:1。
伴性遗传(sex-linked inheritance)是指性染色体上的基因所控制的性状的遗传方式。又称性连锁(遗传)或性环连。此病分为X伴性遗传病和Y伴性遗传病两大类。常染色体上的基因遗传时,性状分离在雌雄两性中有同样的表现。性染色体上的一对等位基因伴随性染色体遗传,其性状遗传与性别相联系。对于此次实验,果蝇为XY型性别决定,但与一般XY型性别决定所不同的是,果蝇的性别由X染色体的数目决定,含有2条及以上X染色体的果蝇为雌性。伴性遗传是指生物某些性状的遗传常与性别联系在一起的现象,出现这种现象是由于支配某些性状的基因位于性染色体上。控制果蝇眼色的基因位于X染色体上,在Y染色体则没有与之相应的等位基因。将红眼(+)果蝇和白眼(w)果蝇杂交,其后代眼色的表现与性别有关。而且,正反交的结果不同。如图所示。
19010年,Morgan和Bridges用果蝇进行了大量的杂交实验,提出了连锁交换定律,被后人誉为遗传的第三定律。 基因的连锁和交换定律指是在进行减数分裂形成配子时,位于同一条染色体上的不同基因,常常连在一起进入配子;在减数分裂形成四分体时,位于同源染色体上的等位基因有时会随着非姐妹染色单体的交换而发生交换,因而产生了基因的重组.应当说明的是,基因的连锁和交换定律与基因的自由组合定律并不矛盾,它们是在不同情况下发生的遗传规律:位于非同源染色体上的两对(或多对)基因,是按照自由组合定律向后代传递的,而位于同源染色体上的两对(或多对)基因,则是按照连锁和交换定律向后代传递的. 但是雄性果蝇和雌性家蚕在分裂时一条染色体上的基因总是连在一起的。
基因定位是指确定的基因在染色体上的相对位置和排列顺序的过程。基因在染色体上的位置是相对恒定的,因此人们就有可能根据基因彼此之间的重组率来确定它们在染色体上的相对位置。染色体图又称连锁图或遗传图,是指依据测交的实验结果,测得某特定基因间的重组率。或采用其他方法确定连锁基因在染色体上的相对位置而绘制的一种简单线性示意图。图距是指两个连锁基因在染色体图上相对距离的数量单位。1%的重组率去掉百分率的数值定义为一个图距单位。图距的单位是厘摩(centimorgan,cM)。我们通常利用三点测交(three-point testcross)来进行基因定位。它是指将3个基因在同一次交配中,取其三杂合体与三隐性体进行测交的方法。进行三点测交实验一般是先将携带三个待测基因的两个亲本杂交,再用所得的F1与相应的三隐形纯合体进行测交,测交后代的表型实际上是F1配子的类型。通过统计发生基因重组的F1个体数,可推算出交换值,再以此确定三个基因的距离极其相对位置
果蝇(fruit fly)是双翅目(Diptera)昆虫,属果蝇属(genus Drosophila),约有3000多种,我国已发现800多种。大部分的物种以腐烂的水果或植物体为食,少部分则只取用真菌,树液或花粉为其食物。以果蝇作为遗传学研究的材料,利用突变株研究基因和性状之间的关系已近一百年,至今,各种研究遗传学的工具已达完善的地步,果蝇对今日的遗传学的发展有其不可磨灭的贡献;从1980年初,Drs. C. Nesslein-Volhard和E. Weichaus以果蝇作为发育生物学的模式动物,利用其完备的遗传研究工具来探讨基因是如何调控动物体胚胎的发育,也带动了其它模式生物(线虫、斑马鱼、小鼠和拟南芥等)的研究,且有非常具体的成果。
通常用作遗传学实验材料的是黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)。用果蝇作为实验材料有许多优点:
⑴饲养容易。在常温下,以玉米粉等作饲料就可以生长,繁殖。
⑵生长迅速。十天左右就可完成一个世代,每个受精的雌蝇可产卵400~500个,因此在短时间内就可获得大量的子代,便于遗传学分析。
⑶染色体数少。只有4对。
⑷唾腺染色体制作容易。横纹清晰,是细胞学观察的好材料。
⑸突变性状多,而且多数是形态突变,便于观察。
表1.实验中使用的果蝇突变品系
表2.常见的形状与基因
【实验材料及方法】
一、 实验材料
野生型果蝇原种(18#),白眼突变性果蝇原种(6#),檀黑体残翅突变性果蝇原种(14#),解剖镜,麻醉瓶,白板,毛笔,培养管,麻醉瓶,标签纸,恒温培养箱,乙醚,培养基
二、 实验方法
第一周:
新的培养管中,贴上标签,注明杂交组合,时间,实验者姓名等内
容;
3、 进行反交实验;
4、 将培养瓶置于25℃恒温培养箱培养一周。
第二周:
将培养瓶中所有亲本倒净,继续培养一周。
第三周:
1、 观察并记录正反交组合中F1性状;
2、 从正反交F1中各挑选出两对果蝇,放入新的培养管中,贴上标签并注明,继续培养一周。
第四周:
将培养瓶中所有亲本倒净,继续培养一周。
第五周:
1、 将F2代全部麻醉至死;
2、 统计F2代不同的性状以及对应数量 1、 设计实验:
【实验结果及分析】
一、分离定律与自由组合定律的验证
单因子适合度测验主要是来验证分离定律,双因子适合度测验主要是来验证自由组合定律。针对以上的两次适合度测验,我们发现,正交的结果实验得到的数据与理论的数据相差不大,支持最初的假设。但是对于反交来说, 不能够用基因的回交来说明。针对于以上发生的现象,我认为主要有以下两个方面的原因:
1)选取的实验方案本身存在问题,这两对基因并不是完全独立,由反交型的单因子适合度测验可以看出,体色和翅型的分离比都不符合3:1,可能两个基因存在于某些有关于性别方面的连锁。
2)数目少。因为反交实验果蝇总数没有超过100只,所以对于这种适合度测验,数目越少误差越大,所以可能是反交过程中有混入其他果蝇或者由于没有数清楚等人为地因素使实验出现了严重的误差。
其中,原因二的可能性更大。
二、伴性遗传
单因子适合度测验主要是来验证分离定律,双因子适合度测验主要是来验证自由组合定律。针对以上的两次适合度测验,我们发现,正交的结果实验得到的数据与理论的数据相差不大,支持最初的假设。但是对于反交来说, 不能够用基因的回交来说明。针对于以上发生的现象,我认为主要有以下两个方面的原因:
1)选取的实验方案本身存在问题,这两对基因并不是完全独立,由反交型的单因子适合度测验可以看出,体色和翅型的分离比都不符合3:1,可能两个基因存在于某些有关于性别方面的连锁。
2)数目少。因为反交实验果蝇总数没有超过100只,所以对于这种适合度测验,数目越少误差越大,所以可能是反交过程中有混入其他果蝇或者由于没有数清楚等人为地因素使实验出现了严重的误差。
其中,原因二的可能性更大。
二、伴性遗传
18号 红眼(X+) 6号 白眼(Xw)
正交 反交
P: XX(雌红眼)×XwY(雄白眼) XwXw(雌白眼)×XY(雄红眼)
F1: XXw(雌红眼) XY(雄红眼) XXw(雌红眼) XwY(雄白眼) 理论: 1 : 1 1 : 1 实际: 20 : 28 40 : 33
++w+w+wwww+F2: XX+ XX XY XY XX XX XY XY
雌红眼 雄红眼 雄白眼 雌红眼 雌白眼 雄白眼 雄红眼 理论 2 : 1 : 1 1 : 1 : 1 : 1 实际 58 : 27 : 6 30 : 20 : 8 : 21
首先在图谱分析的层面上,正交反交的个体在F1、F2代上的表型不同,通过反交个体在F1代产生的雄性个体都是白眼的,我们可以断定控制红白眼基因位于X染色体上,白眼为隐性。但是针对F2比例来看,与预期相差较大,所以进一步进行适合度测验。
根据适合度测验,正交和反交结果均与理论预期有极显著差异,不能用一对基因的回交来说明。针对以上结果,我认为有以下原因:
1. F2代数目过少。可以看到整个实验的果蝇总数均不超过100只,对于适合度测验,数目越少误差越大;
2. 可能由于实验中混入其他果蝇或者由于人为计数错误等因素而出现严重误差。
三、基因连锁与交换
++++++
##
以推论,基因sn一定位于中间,而三基因的相对顺序是w sn m。做基因连锁图如下:
基因连锁图:
w sn m
31.7
理论连锁图:
w sn m
34.6
并发系数:
C=(2+2)/170/(17.0%×14.7%)=96.0%
分析:
由以上分析数据可以看出,本组实验结果与理论值有所偏差,尤其是sn-m基因间的图距。产生数据偏差的原因可能是进行试验的环境条件有差异,我们知道不同环境条件下的重组值是有变化的。而且进行三点测交实验数据越多越精确,实验室中果蝇数目有限这就使偶然因素引起的误差的影响力加大,也是导致结果与理论值有偏差的原因之一。加之实验数目较少及三隐性个体的生存力很弱,在幼虫密度较高时易在自然选择中被淘汰,在实验中此因素也有可能引起误差。而且观察果蝇时,有一些观察不到放走的,死掉的或者没有观察清楚的等等。但是虽然定量结果存在一定偏差,但是此实验还是可以准确地反映三个基因的连锁位置关系。根据本组实验数据计算出的并发率近似等于1,距此可判断此三个基因间不存在干扰。
【讨论】
一、 注意事项
1)果蝇要适度麻醉,挑蝇用毛笔,忌用镊子和其他工具,以免影响果蝇生长繁育。
2)挑处女蝇时,每次只挑12小时内羽化成虫,超过12小时的成虫已逐渐有交配能力,必须一只不留地倒出处死,才能进行第二次挑选。
3)刚羽化的果蝇色淡白,体软绵,难辨♀♂,务必小心区别。
4)使用毛笔和瓷板,要用酒精棉球消毒,同时必须晾干才能使用。
5)每个杂交组合放果蝇2-3对,用毛笔把果蝇扫进试管,试管要平放,待蝇醒后,方能竖起,避免果蝇粘在培养基上被闷死,杂交组合配好后,放回培养箱。
6)培养箱温度保持在25℃,不要随意更改或调整其他旋钮,以免影响整个实验。
7)两周后停止对F2代的计数,此时可能已有F3代混入影响结果。
8)操作过程中注意无菌。
9)尽量避免由于操作不当造成的果蝇的逃逸,这样会对最后的结果产生影响。
10)因为本次实验每组的数据有限,所以误差较大。我们更倾向于将实验室的结
果统计起来一起分析,这样误差会减小一点。
11)果蝇的某一些性状本身可能会受到环境之类的影响从而出现与理论不相符的结果。
12)因为此次实验的连续性很强,所以一定要注意每一步的时间和操作,否则就
会产生不可逆的后果,严重的要进行重做。
二、 实验感想
果蝇杂交实验室遗传学经典实验。本次实验是自主设计型的实验,整个过程自主参与的方面占绝大部分。持续的时间长,有很强的连续性。通过这次实验,我们能把理论与实际更好的结合,将实验现象与数理统计更好的结合。提高了自己实验的能力。
【参考资料】
【1】 杨大翔.遗传学实验[M]. 科学出版社
【2】 刘祖洞.遗传学[M]. 高等教育出版社