非对称遗传规律现象
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非对称遗传规律现象
引子
遗传学：历史悠久、进展迅速、逻辑性强的生命科学
1866年：孟德尔遗传定律的发现 1915年：摩尔根基因学说的创立 1927年：缪勒发现X射线可诱使基因发生突变 1938年：比德尔提出基因与酶的对应关系 1944年：艾弗里首次证明DNA是遗传信息的载体 1953年：沃森、克里克DNA双螺旋结构模型的建立 1954年：伽莫夫提出蛋白质的3碱基遗传密码假说 1958年：克里克提出了蛋白质合成的“中心法则” 1958－2007……
非对称遗传规律现象
非对称遗传规律现象
非对称遗传规律现象
摩尔根的连锁遗传现象
非对称遗传规律现象
对称的基因组
－经典遗传学赖以成立的基础
a
B
C
A
B
c
D
E
F
D
e
F
基因1
基因2
基因3
基因4
基因5 基因6
孟德尔定律 － 等位基因的分离与重组 摩尔根的连锁遗传 － 系列等位基因的重组
非对称遗传规律现象
非对称遗传的研究对象
非对称遗传规律现象
2. 非对称的基因组
非对称基因的定义、类别 非对称的基因的数量、分布 基因组非对称性的意义
非对称遗传规律现象
同一物种的同源染色体间的比较
Chromosome A
AL gene P/A gene
Nip. 9311
Chromosome B
Nip. 9311
非对称遗传规律现象
非对称的水稻基因组
Morgante et al,2005. Nature Genetics
非对称遗传规律现象
非对称基因孟德尔性状有关吗？
非对称遗传规律现象
4. 非对称基因的特殊遗传规律
特殊方式的遗传交流 特殊方式的遗传重复 特殊方式的遗传隔离
非对称遗传规律现象
基本假说1的Test
Insertion
Flank
Flank
Flank
Flank
1. 自由配对 促进非等位重组
2. 对周围序列的力学张力 干扰重组，造成局部遗传
3. 造成更多DNA 复制和修复错误: 造成局部突变热点（高突变率）
非对称遗传规律现象
特殊方式的遗传重组
Extensive Interlocus Sequence exchange
例2： 玉米基因组 基因组比水稻的更大，且比水稻的更不对称 基因组的非对称性：20％， 自交系间>4000个；杂种间>8000个
Morgante et al,2005. Nature Genetics
非对称遗传规律现象
3. 非对称基因的遗传
多个非对称基因的遗传 非对称基因的适应性遗传 杂种优势的遗传基础 自交退化的遗传基础 显隐性性状的遗传基础
非对称遗传规律现象
非对称水稻基因数量
Size (Mb) Genes
Total in Genome:
420
43719
Asymmetric DNA
(>1 kb DNA): >20%
Asymmetric genes:
5683 (13%)
P/A genes:
1967 (4.5%)
AL genes:
3716 (8.5%)
非对称遗传规律现象
基因家族的非对称基因数量
Gene family
R-gene RLK
Allelic P/A
339 105 264 17
AL Asymmetric Genes
158 263 (43.7%)
102 119 (31.1%)
Myb & MADS 200 6 4 10 (4.8%)
House-keeping 49 0 0 0 (0%)
插入/缺失 (insertion/deletion, indel)的数 量及类别
Nip. 9311
非对称遗传规律现象
基本假说： Indel有特殊遗传行为
Insertion
Flank
Flank
Flank
Flank
1. 自由配对 促进非等位重组
2. 对周围序列的力学张力 干扰重组，造成局部遗传
3. 造成更多DNA 复制和修复错误: 造成局部突变热点（高突变率）
Many times more than in a genome?
非对称遗传规律现象
进化意义：适应性进化
－符号差异或进化结果？
Col
wenku.baidu.com
非对称遗传规律现象
Bla2 Bla2
非对称遗传规律现象
非对称基因的适应性代价(fitness costs)
植物抗病基因频率变化
1
0
病原物致病基因频率变化
1
Resistant
Susceptible
Evolutionary time
0 Evolutionary time
非对称遗传规律现象
非对称基因 与杂种优势和自交退化有关吗？
水稻基因组的非对称性：约13％， 即2063 P/A＋2989 AL个基因不对称
Highly asymmetric rice genomes
玉米基因组的非对称性：20％， 自交系间>4000个；杂种间>8000个
非对称遗传规律现象
非对称基因的表现型
孟德尔性状
A
抗病基因
P1
经典的显隐性性状 P2
0
多个非对称基因 嗅觉基因？ 抗病基因
A
0
A AA
A0
0 A0
00
3 ：1
非对称遗传规律现象
进化意义：容纳更多基因
Total R-genes in plant genomes
149 in Arabidopsis; 480 in rice (Zhou et al, MGG 2004)
P/A R-genes identified in <10 populations
Rice
>20% (Yang et al, PMB 2006)
Arabidopsis >20% (Sheng et al, Genetics 2006)
How many P/A R-genes in a species
非对称遗传规律现象
问题？
遗传与变异 变异的来源并非十分清楚
对称与非对称 遗传中的非对称因素是什么 非对称因素是否是“变异”之源
科学研究 － 发现和解决科学中的问题？
非对称遗传规律现象
1、对称的基因组与经典遗传学
成对的等位基因与Mendel遗传学 对称的同源染色体与Morgan遗传学 减数分裂中的联会与配对
启示：哪种基因家族更对称（变异大的或小的）？ 哪种基因家族对生物的多样性贡献更大？
非对称遗传规律现象
非对称遗传规律现象
非对称遗传规律现象
玉米的非对称基因序列
非对称遗传规律现象
基因组间非对称基因数量的估计
例1： 水稻基因组－40000个基因 基因组的非对称性：约13％， 即2063 P/A＋2989 AL个基因不对称
引子
遗传学：历史悠久、进展迅速、逻辑性强的生命科学
1866年：孟德尔遗传定律的发现 1915年：摩尔根基因学说的创立 1927年：缪勒发现X射线可诱使基因发生突变 1938年：比德尔提出基因与酶的对应关系 1944年：艾弗里首次证明DNA是遗传信息的载体 1953年：沃森、克里克DNA双螺旋结构模型的建立 1954年：伽莫夫提出蛋白质的3碱基遗传密码假说 1958年：克里克提出了蛋白质合成的“中心法则” 1958－2007……
非对称遗传规律现象
非对称遗传规律现象
非对称遗传规律现象
摩尔根的连锁遗传现象
非对称遗传规律现象
对称的基因组
－经典遗传学赖以成立的基础
a
B
C
A
B
c
D
E
F
D
e
F
基因1
基因2
基因3
基因4
基因5 基因6
孟德尔定律 － 等位基因的分离与重组 摩尔根的连锁遗传 － 系列等位基因的重组
非对称遗传规律现象
非对称遗传的研究对象
非对称遗传规律现象
2. 非对称的基因组
非对称基因的定义、类别 非对称的基因的数量、分布 基因组非对称性的意义
非对称遗传规律现象
同一物种的同源染色体间的比较
Chromosome A
AL gene P/A gene
Nip. 9311
Chromosome B
Nip. 9311
非对称遗传规律现象
非对称的水稻基因组
Morgante et al,2005. Nature Genetics
非对称遗传规律现象
非对称基因孟德尔性状有关吗？
非对称遗传规律现象
4. 非对称基因的特殊遗传规律
特殊方式的遗传交流 特殊方式的遗传重复 特殊方式的遗传隔离
非对称遗传规律现象
基本假说1的Test
Insertion
Flank
Flank
Flank
Flank
1. 自由配对 促进非等位重组
2. 对周围序列的力学张力 干扰重组，造成局部遗传
3. 造成更多DNA 复制和修复错误: 造成局部突变热点（高突变率）
非对称遗传规律现象
特殊方式的遗传重组
Extensive Interlocus Sequence exchange
例2： 玉米基因组 基因组比水稻的更大，且比水稻的更不对称 基因组的非对称性：20％， 自交系间>4000个；杂种间>8000个
Morgante et al,2005. Nature Genetics
非对称遗传规律现象
3. 非对称基因的遗传
多个非对称基因的遗传 非对称基因的适应性遗传 杂种优势的遗传基础 自交退化的遗传基础 显隐性性状的遗传基础
非对称遗传规律现象
非对称水稻基因数量
Size (Mb) Genes
Total in Genome:
420
43719
Asymmetric DNA
(>1 kb DNA): >20%
Asymmetric genes:
5683 (13%)
P/A genes:
1967 (4.5%)
AL genes:
3716 (8.5%)
非对称遗传规律现象
基因家族的非对称基因数量
Gene family
R-gene RLK
Allelic P/A
339 105 264 17
AL Asymmetric Genes
158 263 (43.7%)
102 119 (31.1%)
Myb & MADS 200 6 4 10 (4.8%)
House-keeping 49 0 0 0 (0%)
插入/缺失 (insertion/deletion, indel)的数 量及类别
Nip. 9311
非对称遗传规律现象
基本假说： Indel有特殊遗传行为
Insertion
Flank
Flank
Flank
Flank
1. 自由配对 促进非等位重组
2. 对周围序列的力学张力 干扰重组，造成局部遗传
3. 造成更多DNA 复制和修复错误: 造成局部突变热点（高突变率）
Many times more than in a genome?
非对称遗传规律现象
进化意义：适应性进化
－符号差异或进化结果？
Col
wenku.baidu.com
非对称遗传规律现象
Bla2 Bla2
非对称遗传规律现象
非对称基因的适应性代价(fitness costs)
植物抗病基因频率变化
1
0
病原物致病基因频率变化
1
Resistant
Susceptible
Evolutionary time
0 Evolutionary time
非对称遗传规律现象
非对称基因 与杂种优势和自交退化有关吗？
水稻基因组的非对称性：约13％， 即2063 P/A＋2989 AL个基因不对称
Highly asymmetric rice genomes
玉米基因组的非对称性：20％， 自交系间>4000个；杂种间>8000个
非对称遗传规律现象
非对称基因的表现型
孟德尔性状
A
抗病基因
P1
经典的显隐性性状 P2
0
多个非对称基因 嗅觉基因？ 抗病基因
A
0
A AA
A0
0 A0
00
3 ：1
非对称遗传规律现象
进化意义：容纳更多基因
Total R-genes in plant genomes
149 in Arabidopsis; 480 in rice (Zhou et al, MGG 2004)
P/A R-genes identified in <10 populations
Rice
>20% (Yang et al, PMB 2006)
Arabidopsis >20% (Sheng et al, Genetics 2006)
How many P/A R-genes in a species
非对称遗传规律现象
问题？
遗传与变异 变异的来源并非十分清楚
对称与非对称 遗传中的非对称因素是什么 非对称因素是否是“变异”之源
科学研究 － 发现和解决科学中的问题？
非对称遗传规律现象
1、对称的基因组与经典遗传学
成对的等位基因与Mendel遗传学 对称的同源染色体与Morgan遗传学 减数分裂中的联会与配对
启示：哪种基因家族更对称（变异大的或小的）？ 哪种基因家族对生物的多样性贡献更大？
非对称遗传规律现象
非对称遗传规律现象
非对称遗传规律现象
玉米的非对称基因序列
非对称遗传规律现象
基因组间非对称基因数量的估计
例1： 水稻基因组－40000个基因 基因组的非对称性：约13％， 即2063 P/A＋2989 AL个基因不对称