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1、验证遗传平衡定律 实验一、 【目的】1.掌握 Hardy-Weinberg定律的原理；2.以果蝇的各性状来分析并验证 Hardy-Weinberg定律；3.理解和验证分离定律；4. 掌握果蝇的杂交技术；5.记录交配结果和掌握统计处理的方法。二、 【原理】1.要验证遗传平衡定律首先要熟悉种群的概念群体遗传学所研究的群体并不是许多个体的简单集合，而是一种特定的孟德尔群体(Mendelian population)，即一群相互交配的个体，其基因的传递是遵循孟德尔定律的。在群体遗传学中，将群体中所有个体共有的全部基因称为一个基因库(gene pool)。因此一个孟德尔群体是一群能够相互繁殖的个体，它们
2、享有一个共同的基因库。在有性繁殖的生物中，一个物种就是一个最大的孟德尔群体，在某一区域孟德尔群体中所产生的突变只能在种之间扩散，而不会越过种的界线进行转移，这也是生物学上“种”概念(biological species concept)的基础，它不同于分类学上的“种”概念(typological species concept)，后者主要是以形态学上的相似性如形态、解剖结构等为基础的。另外，分布于同一地区同一个物种的个体间是可以进行基因的自由交流的，即可以认为组成了单一的孟德尔群体，但是，由于某种自然的或人为的限制条件妨碍其中个体间基因的自由交流，使它们各自保持着各自不同的基因库，这时就会有同
3、一地区共存几个孟德尔群体的情况。对于无性繁殖生物的群体则是指由共同亲本来源的个体的集合。群体遗传学的目的是研究孟德尔群体遗传组成变化的机制。要研究孟德尔群体的遗传组成，首先必须对基因库进行定量描述，这可以通过对这个群体中的基因型频率(genotypic frequency)和等位基因频率(allelic frequency)的计算来完成。所谓基因型频率是指群体中某特定基因型个体的数目占个体总数目的比率；等位基因频率是指在一个二倍体生物的某特定基因座上某一个等位基因占该座位上等位基因总数的比率，也称为基因频率(gene frequency)。假设在一由 N个个体所组成的群体中有一对等位基因 A/
4、a位于常染色体上，在可能的三种基因型中，有 n1个 AA、n 2个 Aa、n 3个 aa个体。在群体遗传学中，基因频率比基因型频率更常用、更重要，因为：等位基因数总是较基因型数少，因此使用基因频率就可以用较少的参数来描述基因库，如一个座位有三个等位基因，那么就需用 6种基因型频率来描述基因库，但只需用 3种基因频率就可以了；在有性繁殖的生物形成配子时，配子只含等位基因而无基因型，在世代相传过程中只有等位基因是连续的，基因库的进化是通过等位基因频率的改变来实现的在有性生殖生物中，一种性别的任何一个个体有同样的机会和相反性别的个体交配的方式称为随机交配(random mating)，换句话说，各种
5、类型的个体交配的频率完全取决于自身频率的大小，而不受任何其它因素的影响。随机交配的结果是所有的基因型都是由孟德尔式分离所产生的配子随机结合而形成的。如果知道在一个随机交配的群体中某一给定位点上的等位基因频率，我们就很容易计算出在这个群体中预期的基因型频率。这一事实最早于 1908年由英国数学家 G Hardy和德国医生 W Weinberg在各自的论文中得到证明，这就是我们现在所说的哈迪-温伯格定律(Hardy-Weinberg Principle)，哈迪-温伯格定律是群体遗传中最重要的原理。它是指在一个不发生突变、迁移和选择的无限大的随机交配的群体中，基因频率和基因型频率在一代一代的繁殖传代
6、中保持不变，即在没有进化影响下当基因一代一代传递时，群体的基因频率和基因型频率将保持不变，因此，哈迪-温伯格定律也称为遗传平衡定律(law of genetic equilibrium)。如果一个群体达到了这种状态，就是一个遗传平衡的群体，未达到这种状态就是一个遗传不平衡的群体。遗传不平衡的群体只需随机杂交一代后，即可达到遗传平衡。2.哈迪-温伯格定律的描述假设一个群体中有一对等位基因 A/a，基因 A的频率为 p，基因 a的频率为 q，这里p+q=1，如果这个群体中 3种基因型的频率是：AAp 2，Aa2pq，aaq 2，这三种基因型所产生的两种配子的频率是：A = p2 + (2pq) =
7、 p2 + pq = p(p+ q) = p a = (2pq) + q2 = pq + q2 = (p+ q)q = q因为根据假设，个体间的交配是随机的，所以配子间的结合也是随机的，三种基因型AA、Aa、aa 的频率跟上一代完全一样。因此我们可以说，就这对基因而言，群体已经平衡了。这频率就是基因型的平衡频率。从上面也可以看出，不论亲代中基因型的频率是多少，只需雌雄配子中的等位基因的频率为 p和 q，配子随机结合后形成的子一代群体中的各基因型频率将达到(p 2，2pq，q 2)的平衡。综上所述，哈迪-温伯格定律的要点是：在一个无穷大的随机交配的孟德尔群体中，若没有进化的压力(突变、迁移和自然
8、选择)，基因频率逐代相传不变；无论群体的起始成分如何，经过一个世代的随机以后，群体的基因型频率将保持(p2，2pq，q 2)的平衡，即群体的基因型频率决定于它的基因频率；只要随机交配系统得以保持，基因型频率将保持上述平衡状态不会改变。从上述要点的第一点可以看出，哈迪-温伯格定律的成立是有条件的，除了随机交配外，定律指出这个群体是无穷大的，若一个群体的大小有限，可能导致基因频率和预期的比例发生偏差。所谓的无穷大完全是一个设想的模式，没有任何群体具有无穷的个体，然而只有对一个相当小群体来说，样本的误差会对基因频率有明显的影响，因此在实际应用中只要群体不至太小即可。第三个条件是没有进化的压力，在后面
9、我们会进一步讨论进化对哈迪- 温伯格定律的影响。上面这些条件在自然界是不可能存在的，所以称具备这些条件的群体为理想群体。另外需要说明的是，哈迪-温伯格定律所要求的随机交配并不是针对所有的性状。如果这样，那么人类群体就无法符合这一定律的要求，因人类择偶并不是随机的，而是对智商、外貌、性格、身高、肤色、学历以及社会地位等都有一定的要求。虽然如此，但对某些性状并没有要求而是随机的，如大部分人对血型等并无要求，甚至有的人并不知道自己的 M-N系统的具体血型。因此哈迪-温伯格定律要求的随机性是指诸如像血型这样一些性状，而不是那种非随机性状的座位。根据哈迪-温伯格定律，当一个座位上有两个等位基因时，在群体
10、达到平衡时，基因型频率将是 p2，2pq 和 q2，它等于等位基因频率之和的平方(p+q) 2。同样，对于三个等位基因 a1、a 2、a 3来说，若它们的频率分别为 p、q、r(p+q+r=1)，在平衡时基因型的频率也等于等位基因频率之和的平方：(p+q+r) 2 = p2 +q2 +r2 +2pq +2pr +2qr = p2(a1a1) + q2(a2a2) + r2(a3a3) + 2pq(a1a2) + 2pr(a1a3) + 2qr(a2a3)3.影响遗传平衡定律的因素迪-温伯格定律是对于一个理想群体而言的，遗传平衡定律是对基因在理想群体中的遗传行为的阐述。严格说来，在自然界中是不存
11、在这样的理想群体的，正象气体定律中的理想气体不存在一样。在自然界的生物群体中，妨碍按照这个定律达到预期平衡状态的各种因素在不断地起作用，其结果是导致群体的遗传组成发生改变，从而也引起生物的进化。需要注意的是，对于每一种改变平衡的动力总是有另一种使平衡回复的相反动力与之抗衡，因为这种保守因素总是力图维持原有的平衡，因此一个活的群体永远处在这两种相反力量的抗衡中。因此本章所要讨论的问题就是当所规定的各种不同的理想条件不存在时，群体中的基因频率和基因型频率所发生的改变。下面我们着重讨论在四种进化因子(突变、自然选择、迁移、基因漂变)的作用下，群体的基因频率是如何发生改变的。在有突变的情况下群体中基因
12、频率的改变1虽然基因突变是所有遗传变异的最终来源，但是它发生的频率是非常之低的，它对群体遗传结构的改变非常缓慢，可以说，如果仅仅只有突变改变遗传结构，那么生物的进化基本上是可以忽略的。在群体中引入突变的情况下，我们仍旧假定这是一个无限大的随机交配群体，并且没有自然选择。例如常染色体上有一对等位基因 A1和 A2，A 1基因的频率为 p0，每代 A1突变为 A2的突变率为 u。那么一代后 A1的频率 p1 = p0up 0 = p0(1u)；二代后 A1的频率 p2 = p1up 1 = p1(1u) = p0(1u) 2；t 代后 A1的频率将是 pt =p0(1u) t。由于 1u 小于1，
13、因此随着 t的增加，p t值越来越小，当这一过程无限延续下去时，则基因 A1的频率最终变成 0，这是因为每一代都有 u的 A1变成 A2的缘故。尽管如此，这种变化的频率还是非常之低的，例如，以真核生物典型的突变率 u = 105 为例，经历 1,000代后基因 A1的频率仅从 1.00变为 0.99；2,000 代后基因频率从0.50到 0.49；以及 10,000代后基因频率仅从 0.10到 0.09。通常，随着 A1频率的减少，使其频率降低某一确定数值(如上面的 0.01)所需的时间更长。上述只有正向突变而无回复突变的情况可以应用在某些突变中，如一条染色体会以一定的速率产生倒位从而导致基因
14、重排，但基因一旦发生重排，回复到原来的顺序是几乎不可能的。但基因突变经常是可逆的，即 A2可能回复突变成为 A1。假设 A2可能回复突变成为 A1的回复突变率为 v，在基因 A1的频率为 p0时，基因 A2的频率为 q0，那么繁殖一代后，基因 A1的频率变为：p 1 = p0up 0 + vq0。如果基因 A1的频率改变用 Dp表示，则：D pp 1p 0(p 0up 0 + vq0)p 0vq 0up 0。在这种情况下，每一代中共有 p0u的 A1突变为 A2，有 q0v的 A2突变为 A1。若p0uq0v，则基因 A2的频率增加；若 p0uq0v，则基因 A1的频率增加；若 p0uq 0v
15、，即 Dp等于 0，即基因频率没有净改变时，这时正向突变和反向突变之间存在一种平衡，如果用 和 代表平衡等位基因的频率，则：u = v 。在平衡时，等位基因 A2是 A1的 10倍。但是由于从 A1到 A2的突变也是从 A2到 A1的突变的 10倍，因此每个方向的突变总数是相同的。更进一步地说，当 0.09时，尽管 u是v的 10倍，基因 A1的频率还是增加的，这是因为 Dpvq 0up 0，它既与基因频率有关，也与突变率有关。由上可见，突变对基因频率的改变是一个独立的因素，只要知道了突变率，就能预知其引起等位基因频率改变的方向和速率。由于相反方向所导致的平衡只依赖于突变率而与起始基因频率无关
16、，这与哈迪-温伯格定律不同。在这里有两点还需要强调一下，第一点是当正向和回复突变都存在时比仅仅只有一个方向的突变时，基因频率的改变要更慢一些，因为回复突变部分抵消了正向突变的作用，这再次强调通过突变本身来达到基因频率的大的改变是一个相当长的过程，群体很少能达到突变的平衡；第二点是另外一些因素如自然选择对基因频率的影响比突变要大得多，如人类软骨发育不全的侏儒症(achondroplastic dwarfism)是常染色体显性性状，虽然它是一种频发突变(recurrent mutation)，但人群中这种疾病的发生频率是由突变压(mutation pressure)和自然选择的相互作用所决定的。在自然选择作用下群体中基因频率的改变2突变可以改变基因的频率，但这种改变是否增加或减少生物体对环境的适应却是随机的，所谓适应是指通过性状的演化使生物体更加适应环境的过程。自然选择(natural selection)过程是与生物的适应和高度的组织化的特性相关联的，因而自然选择是最重要的进化过程。进
