连锁互换三定律讲解

连锁交换定律

一．发现：W.Bateson和R.C.Punnett他们所研究的香豌豆

F2的4种表型的比率却不符合9∶3∶3∶1，其中紫长和红圆的比率远远超出9/16和1/16，而相应的紫、圆和红、长却大大少于3／16；结果进行x2检验时，x2=3 371.58。如此可观的x2数值，无疑说明实计频数与预计频数的极其显著的差异不可能由随机原因所造成。

重复实验，其中x2=32.40，证明它仍是显著不符合9∶3∶3∶1的。(紫、长，红、圆)称为互引相，(紫、圆，红、长)为互斥相。当两个非等位基因a和b处在一个染色体上，而在其同源染色体上带有野生型A、B时，这些基因被称为处于互引相(AB／ab)；若每个同源染色体上各有一个突变基因和一个野生型基因，则称为互斥相(Ab／aB)。

二．完全连锁与不完全连锁：Morgan用果蝇灰体长翅(BBVV)和黑体残翅(bbvv)的果蝇杂交，F1都是灰体长翅(BbVv)。用F1的杂合体进行下列两种方式的测交，所得到的结果却完全不同：

凡是位于同一对染色体上的基因群，均称为一个连锁群(linkage group)，玉米的染色体也正好是10对(n=10)。链孢霉n=7，连锁群有7个。水稻n=12，连锁群就是12。有些生物目前已发现的连锁群数少于单倍染色体数，如：家兔n=22，连锁群是11；而家蚕n=28，连锁群却是27；牵牛花n=15，连锁群是12等等。

三．重组频率计算：遗传学以测交子代中出现的重组型频率来测定在这样的杂交中所表现出的连锁程度。求重组频率(recombination frequency,RF)的公式是：

用玉米为材料：①很多性状可以在种子上看到，种子虽然长在母本植株的果穗上，但它们已是子代产物；

②同一果穗上有几百粒种子，便于计数分析；③雌、雄蕊长在不同花序上，去雄容易，便于杂交；④它是一种经济作物，某些实验结果有经济价值。

玉米籽粒的糊粉层有色(C)对糊粉层无色(c)为显性；饱满种子(Sh)对凹陷种子(sh)为显性。基因Sh与C 是连锁的。杂交亲本为互引相C Sh/C Sh×c sh/c sh时，有如下结果：

=3.6％。另外，某次杂交在互斥相c Sh/c Sh×C sh/C sh中进行，得到下列结果：

由此可知，不论用哪种基因组合的交配方式，测交的结果都是亲组型的频率很高，占97％左右，而重组型的频率很低，仅占3％左右。

四。交换：

1．在减数分裂前期，尤其是双线期，配对中的同源染色体不是简单地平行靠拢，而是在非姊妹染色单体间有某些点上显示出交叉缠结的图像，每一点上这样的图像称为一个交叉(chisma)，这是同源染色体间对应片段发生过交换(crossing over)的地方图3-11。

2．处于同源染色体的不同座位的相互连锁的两个基因之间如果发生了交换，就导致这两个连锁基因的重组

有许多因素影响交换，其中包括温度、性别、射线、化学物质等等。在果蝇中早已发现22℃饲养的雌蝇的交换频率最低。某些化学物质如放线菌D、丝裂霉素C可以引起交换值的增加。着丝粒使附近基因的交换值明显降低，人类和许多哺乳动物例如小鼠，雌性交换值大于雄性。性别对于交换的影响最典型的情况是在果蝇中由Morgan所发现的雄蝇无交换(完全连锁)。在家蚕中则恰恰相反，交换只发生在雄蚕而不发生在雌蚕中。实际上，凡是性染色体决定性别的生物，异配性别的个体中一般总是较少发生交换。英国生理学及遗传学家J.B.S.Haldane提出：凡是较少发生交换的个体必定是异配性别个体。这被称为霍尔丹定律。交换值虽然受许多因素的影响，但在一定条件下，相同基因之间的交换值是相对稳定的。据研究，凡无交换的类型都没有发现联会复合体(SC)。因为SC被认为是保证同源染色体准确配对和交换的一个重要结构。

多线交换与最大交换值在同源染色体的两个基因之间如果出现一个交叉，它只涉及两条非姊妹染色单体，由此产生的4条染色单体有两条是已交换的，两条是没有交换的，重组型占1／2。如果100％的性母细胞在两个基因之间都出现一个交叉，则重组型频率为1／2×100％=0.50。这就是两个基因间最大的交换值。当两个基因相距较远时，其间可以发生两个或两个以上的交叉，即可能发生过两次或两次以上的交换，在这种情况下，不同交叉点上涉及的染色单体将不限于两条，可以是多线交换。这时，是否会改变最大交换值？

假定有一个互引相杂交组合AC／ac，A、C两个基因座间同时在Ⅰ区和Ⅱ区发生两次交换，Ⅰ区发生交换的位置不变，Ⅱ区在非姊妹染色单体之间随机地发生另一次交换，即在A和C两基因座之间同时发生

了两次交换叫称双交换

双交换有以下两个特点：

1．双交换概率显著低于单交换的概率。如果两次同时发生的交换互不干扰，各自独立，则根据概率相乘定律，双交换发生的概率应是两个单交换概率的乘积。

2．3个连锁基因间发生双交换的结果，旁侧基因无重组。3个基因中只有处在中央位置的基因如图3-16中的(B)基因改变了位置，末端两个基因A、C的相对位置不变。这样，只是A-B和B-C 间发生重组，而A-C间不发生重组，但却在其间同时发生了两次交换。因此，在这里A-C之间的重组率低于实际的交换值。

五、基因定位与染色体作图

(一)基因直线排列原理及其相关概念

1．基因定位(gene mapping)根据重组值确定不同基因在染色体上的相对位置和排列顺序的过程。

2．染色体图(chromosome map)又称基因连锁图(linkage map)或遗传图(genetic map)。依据基因之间的交换值(或重组值)，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。

3．图距两个基因在染色体图上距离的数量单位称为图距(map distance)。1％重组值(交换值)去掉其百分率的数值定义为一个图距单位(map unit,mu)，后人为了纪念现代遗传学的奠基人T.H.Morgan，将图距单位称为“厘摩”(centimorgan, cM)，1 cM=1％重组值去掉％的数值。

前面已经提到，生物体的各个基因在染色体上的位置是相对恒定的。关于这个问题的唯一根据是两个基因之间的重组值(率)的相对恒定性。不同基因间的重组值却是不同的。摩尔根(1911)曾提出设想，重组值(交换值)的大小反映着基因座在染色体上距离的远近。他们便将交换的百分率直接定为染色体上基因座之间的距离单位。

既然，连锁基因的交换率可以代表基因在同一染色体上的相对距离，那么人们就有可能根据基因彼此之间的交换率来确定它们在染色体上的相对位置。这个设想可以用实验来验证。为此，至少要考虑3个基因座之间的交换关系。

已知在普通果蝇X染色体上，除白眼(w)、黄体(y)基因外，还有隐性的粗脉翅(bi)基因。经过测交得知bi—w的交换值为5.3％(5.3 cM)，w—y的距离为1.1 cM，那么bi—y的距离究竟是多少？从理论上推测，这就取决于w、y、bi这3个基因座在X染色体上的排列顺序，它们不外乎下列两种方式：①w—y—bi或②y—w—bi。决定哪一种是合理的排列就必须测定y—bi的交换值。测交的结果为5.5％(5.5 cM)。经过3次两点测交(每次包括两个基因在内，分别进行3次测定的

方法。)，这样就把第②种排列关系确定下来。如果将上述所发现的事实一般化，则任何3个距离较近的a、b、c连锁基因，若已分别测得a、b和b、c间的距离，那么a、c的距离，就必然等于前二者距离的和或差。这就是摩尔根的学生A.H.Sturtevant第一次提出的“基因的直线排列”原理，并为后来制订果蝇以及其他真核生物染色体图奠定了基础。

(二)三点测交(three-point testcross)与染色体作图为了进行基因定位，摩尔根和他的学生Sturtevant改进了上述两点测交，创造了一种新的测交方法。将3个基因包括在同一次交配中，例如用3个基因的杂合体abc／+++与3个基因的隐性纯合体abc／abc做测交。进行这种测交，一次实验就等于3次上述w、y、bi3个基因的“两点试验”。用以下实验说明其遗传分析的方法：已知在果蝇中有棘眼(echinus,ec)，复眼表面多毛，似海胆；截翅(cut,ct)，翅末端截短和横脉缺失(crossveinless,cv)，这3个隐性突变基因都是X连锁的。把棘眼、截翅个体与横脉缺失个体交配，得到3个基因的杂合体ec ct+/++cv(ec、ct、cv的排列不代表它们在X染色体上的真实顺序)，取其中3杂合体雌蝇再与3隐性体ec ct cv/Y雄蝇测交，测交结果如下表(表3-4)。

结果分析：

1．归类实得数最低的第7、8两种类型为双交换的产物。实得数最高的第1、2两种是亲本型，其余为单交换类型。

2．确定正确的基因顺序用双交换型与亲本类型相比较，发现改变了位置的那个基因一定是处在中央的基因。将ec ct+、+ +cv与+++、ec ct cv比较时，可见只有基因cv变换了位置，而ec—ct，+—+在双交换型中没有变化，因为双交换的特点是旁侧基因的相对位置不变，仅仅中间的基因发生变动，于是可以断定这3个基因正确排列次序是ec．cv．ct(或ct．cv．ec)。

3．计算重组值，确定图距

(1)计算 ct—cv的重组值，忽视表3-4中的第一行(ec／＋)的存在，将它们放在括弧中，比较第二、三行：

重组率RF(ct—cv间)=217＋223十5＋3/5 318=0.084=8.4％，8.4 cM。

(2)计算ec—cv的重组值，忽视第二行(ct/＋)的存在，将它们放在括弧中，比较第一、三行：

重组率RF(ec—cv间)=273＋265＋5＋3/5 318=10.28％，10.28 cM

现在已知ct—cv间的图距是8.4cM，ec—cv间的图距是10.28cM。这3个基因的排列顺序可能有下列两种：

但是，我们先前已经通过双交换型与亲组型的分析得知cv基因处在ec—ct中间，所以只有B 种排列是正确的。验证这一判断的正确性的唯一方法是计算ec—ct间的重组值是10.2＋8.4=18.6 cM时，则上述分析无误。因此，我们必须作以下计算：

(3)求ec—ct间的重组值，忽视第三行的基因(＋/cv)，比较第一、第二行可知：

重组率RF(ec—ct间)=273＋265＋217＋223／5 318=18.4％，18.4 cM

这项计算验证了上述分析的正确性。

4．绘染色体图(图3-14)

ec—ct间的重组值是18.4％，但不等于ec—cv间cv—ct间两个重组值分量之和，即10.2％＋8.4％=18 6％≠18.4％。这究竟为什么？换言之，根据计算得知的ec—ct重组值为什么低于ec —cv间及cv—ct重组值的两个分量之和？是否直线排列原理有误？回答是否定的。因为，在双交换类型中，末端两个基因(在此为ec和ct)之间虽然同时发生了两次交换，但看不到重组，对于ec一ct来讲，双交换的结果等于不交换。只有当基因cv存在时，才能从表型上辨认出双交换。我们应该注意到，测交实验中有8个个体，(＋＋十和ec ct cv)属于双交换的产物，在计算ec—cv的重组值和计算cv—ct的重组值时两次都利用了这个数值，可是计算ec—ct的重组值时却没有把它计算在内，因为它们间双交换的结果并不出现重组。所以ec—ct之间的实际交换值应当是重组值加2倍双交换值。即18.4％＋2×0.1％=18.6％。而在相邻的基因座(ec—cv，cv—ct)中的交换发生了重组，所以重组值代表了交换值。对ec—ct的交换值作上述校正之后，它们之间的图距就是18.6 cM，正好等于ec—cv和cv—ct图距之和。因此当三点测交后代出现8种表型时，表明相距较远的末端两个基因间必定有双交换发生，而末端两基因间的重组值往往会低估了交换值，此时需要用两倍双交换值来作校正。着相距较近的3个基因的三点测交，往往不出现双交换类型，测交后代只有6种表型，无需校正。

染色体的这种线性模型为以后所有遗传学的进一步研究提供了框架，也预示着DNA分子线性特征的发现。由Sturtevant所建立的这种遗传分析方法奠定了构建所有真核生物遗传图的基础。

5．现在我们可以按照ec—cv—ct的正确排列顺序，将表3-4的资料重新整理如表3-5。

最后我们可以回到该实例的最初情况，根据基因排列的正确顺序，可以将亲本的基因型改写为：

当时只有21岁的A．H．Sturtevant根据表3-6的数据构建了果蝇X染色体遗传图，这是遗传学史上第一张基因连锁图(图3-16)。

表3-6 是所测到的在X染色体上连锁的5对基因之间的重组频率，Sturtevant第一个认识到这些数据可以用来构建X染色体的遗传图谱，以表明各个基因在染色体上的相对位置。根据他的“直线排列”原理，基因沿着染色体分布，则两个基因相距越远，它们之间出现交换的可能性就越大。显然，相距较远的两个基因之间的重组率应大于相距较近的。按照这种推想，对表3- 6中的数据作以下分析：y和w的重组率为0.010。它们之间的距离一定小于重组率为0.322的y和v 之间的距离。w和v的重组率为0.300，说明w与v之间的距离必定大于w与y之间的距离。因此，基因w一定位于基因y和基因v之间。类推的论证可以得知v的位置十分接近m基因的位置(其重组率为0.030)，而且v比m更接近w(因为0.300＜0.327)。因此，v基因一定位于w—m之间。由于w—r的重组率为0.45，这个数值接近独立分配所期望的0.5，似乎w基因不与r基因连锁。但由于观察到v比w更接近r，所以可以肯定位于最后。在连锁图上，r基因的位置可以在w的左边或右边。解决这个问题的方法很简单，只要比较v—r、w—r的重组频率即可，结果发现，v—r相距近，而w—r相距远，所以可以断定v基因在w—r之间，不言而喻，r基因在w基因的右边。

由图3-15可见，每个基因的位置是用从一组连锁基因的一端算起的图距(厘摩cM)来表示的。人为地选定黄体基因作为连锁图左端的0.0位置，其他基因的位置通过它与最邻近的基因间的重组率之和来确定。因此黄体(y)和斜截翅(r)在X染色体图上相距58cM。

关于遗传学图还需作以下补充说明：①一般以最左端的基因位置为0，但随着研究的进展，发现有新的基因在更左端的位置时，把0点的位置让给新的基因，其余的基因座作相应的移动。②重组率在0％～50％之间，但在遗传学图上，可以出现50个单位以上的图距。例如图3-19，w—r 之间的图距是58cM。又如玉米第一连锁群上，sr(条纹叶)基因与bm2(褐色中脉)基因间的图距是172cM(图3-16)，但实际上sr—bm2间的重组率不超过50％，这是因为这两个基因间发生多次交换的缘故，所以由实验得到的重组率与图上的数值不相一致。从而要从图上数值得知基因间的重组率只限于邻近的基因座间。

利用上述同样的方法，绘制了玉米的10个连锁图(图3-16)和果蝇的4个连锁图(图3-17)。

(三)遗传干涉和并发在上述三点测交中，我们已经看到，双交换频率很低，这就是说，中间一个基因跟它两侧的两个基因同时分开的机会很小。一般双交换的发生率往往比预期的还少。预期的双交换率应是两个单交换率的乘积。由图3-13可知，在A、B基因间如果在Ⅰ区段发生的单交换不会影响在相邻的Ⅱ区段发生另一次单交换，两处同时发生交换的频率则是各自频率的乘积。所以在上述例子里ec—ct基因间的双交换的预期频率应是10.2％×8.4％=0.86%。但是观察到的双交换率只有5＋3／5 318=0.15％。可见每发生一次单交换都会影响它邻近发生另一次单交换，这种现象称作干涉(interference，Ⅰ)或染色体干涉(chromosome interfer ence)。第一次交换发生后，引起邻近发生第二次交叉机会降低的情况称为正干涉(positive interference)，引起第二次交换机会增加的为负干涉(negative interference)。观察到的双交换率与预期的双交换率的比值称做并发系数(coefficient of coincidence，C)，一般用并发系数来表示干涉作用的大小。

所以I=1-C。并发系数愈大，干涉作用愈小，并发系数C=1时，I=0表示没有干涉，反之干涉是完全的，表示实验中没有观察到双交换，由于基因间相距很近，以致双交换不易发生，这种现象可以从三点测交后代中只出现6种表型的结果中看到。

所以I=1-C=1-0.17=0.83或83%，这就意味着83％的双交换被干涉掉了，染色体的一个区段的交换抑制(或干涉)了邻近区段的交换。

染色单体干涉(chromatid interference)是指两条同源染色体的4条染色单体参与多线交换机会的非随机性。如果有染色单体干涉的存在，可以使二线双交换、三线双交换和四线双交换发生的概率不呈1∶2∶1的比例(否则二线双交换占1/4；三线双交换有两种方式，占2/4；四线双交换只一种方式，占双交换类型的1/4，其比例正好为1∶2∶1，详见图3-13)。正的染色单体干涉提高四线双交换的频率，负的染色单体干涉则可提高二线双交换的频率。至今尚未发现正染色单体干涉存在，负染色单体干涉在真菌中有过报道。一般情况下不存在染色单体干涉。在一个四分体中，第二次交换可以随机地发生在非姊妹染色单体中的任何两条之间，即可以是2、3染色单体，或2、4，或1、3，或1、4染色单体。正因为没有染色单体干涉存在，全部可能的双交换平均重组率才会是50％。染色体干涉影响基因间的交换值，而染色单体干涉则影响交换发生的形式。

1～5．CCCDA 6～10．CCDBA 11～15．AAACB 16～20．BDCCB 21～25．CBACA 26～30．BCBBB 31～35．DCABB 36～40．DBACB 41～45．DACBB 46～50．CACBC 51～55．AEBBC 56～60．DDCBD 61～65．BBDCC 66～70．BADDD 71～75．BABBC 76～80．BACDD 81～85．BBADB 86～90．ADDCC 91～95．BACCB 96～100．DCCCD

101．解：a) P Bb(黑)×Bb（黑） F1 3/4（黑）+1/4（白）

令p=黑色后代的概率=3/4，q=白色后代的概率=1/4，则

后代为黑、白和黑概率=p·q·p=p2q 后代为白、黑和白概率=q·p·q=pq2

概率相加=p2q+pq2=3/16。

b）考虑产生2黑1白的方式：后代顺序概率

第一第二第三

黑黑白 =(3/4)(3/4)(1/4)=9/64或

黑白黑 =(3/4) (1/4) (3/4) =9/64或

白黑黑 = (1/4) (3/4)(3/4) =9/64

概率相加=3（3/4）2(1/4)=27/64
由上分析可知，一旦确定了产生2黑1白的方式（3种），

总概率就等于3（3/4）2（1/4）=27/64。

102．解：一杂型合子母牛同一杂型合子公牛交配生3头小牛，没有死产（全为正常）小牛的概率可作如下计算：

生正常小牛的概率是3/4，所以3头小牛都是正常的概率=（3/4）3=27/64，这也就是不能鉴定

出携带者母牛（生3头小牛时）的概率。

于是，能鉴定出携带者母牛的概率是（1-2/64）=37/64。令X=该群体杂型合子（携带者）母牛

头数，则（37/64）X＝12。

解得X=21。由于其中12头已鉴定出来，在该群体中可能还有9头母牛携带者尚未鉴定出来。

103．解：（a）在测交一代中含个体数量最多的表现型是无分枝（931）和无花色素苷、无毛（941）。

因此j在三因子杂种亲本的一染色体上，a和hl在另一染色体上。

双互换型（DCO）的个体数最少：无分枝、无毛（40）和无花色素苷（32）。

情况1 如果无分枝在中间，就不可能得到实际的双互换：

P ： AjHl/aJhl F1：DCO AJHl ajhl

情况2 如果hl在中间，可得到实际双互换。所以亲本基因型：

P： J hl a/j Hl A F1：DCO J Hla=无花色素苷 JhlA=无分枝、无毛

（b）即然已知三因子杂种亲本的基因型，就可预测单互换类型。

P J hl a/j Hl A

F1 ： j和hl（区Ⅰ）间的单互换（SCO）产生： SCO（Ⅰ）JHlA=正常（260） Jhla=无分枝、无毛、无花色素苷（268）

所以，在j和hl间产生的所有互换（单和双互换）百分数是（260+268+32+40）

=600/3000=0.2=20%即20个图距单位。

同理，在hl和a间单互换（区Ⅱ）也可得到。

P Jhla/jHlA F1：SCO(Ⅱ) JhlA=无毛（259） jHla=无分枝、无花色素苷（269）

（259+269+32+40）/3000=600/3000=0.2=20% 即20个图距单位。

注意在SCO（Ⅱ）的无毛、无花色素苷类型的个数（269），与SCO（Ⅰ）的三重突变体类型的

个体数（268）接近相等。所以企图把个体数相近的类型配对来估算图距，可能会发生错误。

为避免这一错误发生，必须首先确定每个区的单互换类型。

104．答案：０．０５或0.1

解题思路：如果把“产生aBc配子的频率是0.0025”理解成交换率。则利用并发率概念：

0.0025/0.05=0.05 如果把“产生aBc配子的频率是0.0025”理解成aBc配子在配子中的比例，

则交换率是配子率的两倍为0.05，再利用并发率概念：0.05/0.05=0.1