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第六章
染色体结构变异
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一、缺失 deficiency
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一．
定义：丢失了某一区段的染色体称为缺失染色体。
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二． 分类
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①末端缺失（terminal deficiency）
缺失区段位于染色体的一端。ab·cdefg→ab·cdef
②中间缺失（interstitial
deficiency）缺失了某一臂的中间一段。ab·cdefgh→ab·cdgh
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Terminal deficiency
只涉及一次断裂，断裂后的chrm形成一个有centromere的片段和一个无centromere的片段。无centromere的片段在后来的细胞分裂过程中由于不能移向两极而丢失。有着丝粒的片段其断裂末端是不稳定的，有可能与原来的另一个片段重建愈合，不形成结构变异。也有可能与另一个有着丝粒的片段愈合形成双着丝粒（decentric
chrm）染色体。双着染色体在细胞分裂的后期多数受两个着丝粒向相反方向移动形成的拉力所拉断，再次造成结构变异而不能稳定存在。顶端缺失染色体也可能在复制以后，姐妹染色体在断裂末端愈合，同样形成。双着丝粒染色体一定会在后续的细胞分裂中产生更为严重的断裂和结构变异，最终导致细胞或个体的死亡。一旦死亡，变异就被淘汰。所以，末端缺失染色体在自然界是很少见的。而中间缺失染色体没有粘性末端外露，因而比较稳定。常见的缺失染色体多是中间缺失的。
染色体也可能缺失一条整臂，而变成端着丝粒染色体（telocentric
chromosome）。
在体细胞内，某一对同源染色体中若一条正常，另一条缺失，这个生物体被称为缺失杂合体若两个同源染色体均缺失相同区段的生物个体被称为缺失纯合体（deficiency
homozygote）。
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三．
缺失的成因和细胞学鉴定
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成因：断裂愈合。一次断裂，形成末端缺失，两次断裂，可能形成中间缺失。See
Figure 8-1
细胞学鉴定：
缺失的细胞学鉴定是比较困难的。在发生缺失的当代细胞中，其分裂过程中可以见到无着丝粒的染色体片段。随着细胞世代的增加，片段丢失。只能根据染色体在减数分裂过程中的配对情况加以鉴别。
末端缺失杂合体形成的二价体不等长。
中间缺失杂合体，与缺失区段相对应的正常区段会被排斥在外而形成瘤或环。
缺失纯合体在形态上无法鉴别，只有通过核型分析，与正常细胞中的相应染色体比较，才能获得有关信息。
若缺失区段很小，鉴定更加困难
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四． 缺失的遗传效应
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chrm缺失的生物个体，由于chrm片段的丢失，势必丢失了缺失区段内的遗传物质，破坏在长期进化过程中适应了的遗传平衡。
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1． 缺失的致死效应
染色体是遗传物质的载体，染色体缺失必然导致遗传物质的丢失。遗传物质的丢失，通常都是对生物体的生长和发育都是有害的。其有害程度视缺失的遗传物质的多少及其重要性大小而不同。
在高等生物中，缺失纯合体通常是很难生存下来的。在缺失杂合体中，若缺失区段较长时，或缺失区段虽不很长，但缺少了对个体发育有重要影响的基因时，通常也是致死的。只有缺失区段不太长，且又不含有重要基因的缺失杂合体才能生存，但其生活力也很差。
含缺失染色体的配子体一般都是败育的。花粉尤其如此，♀配子的耐受性略强。含缺失染色体的♂配子即使不败育，在授粉后受精过程中也因竞争不过正常♂配子而不能传递。因此，缺失染色体主要是通过♀配子而遗传的。
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2． 假显性现象
如果缺失的区段很小，而又不带有重要基因，缺失杂合体是可以存活下来。如果某一隐性基因所对应的等位显性基因正好位于缺失区段内，则该隐性基因处于半合状态。由于没有显性基因的遮盖，该隐性基因得以表现。这种现象被称为假显性现象（pseudodominance）。
染色体结构变异最早就是从缺失的假显性中发现的。1915年，C.B.Bridges在研究黑腹果蝇（Drosophila
melanogaster）的棒眼遗传时发现，棒眼（Bar
eye,B）对正常红眼（B+）是显性。该基因位于X chrm上，伴性遗传。
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红眼♀蝇 × 棒眼♂蝇
（B+B+）↓
（B）
BB+ F1♀应该是棒眼
B+- ♂应该是红眼
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但是，
C.B.Bridges在某些杂交组合的子代群体中却发现了红眼♀蝇。开始以为是发生了突变，B+→B。检查部分的唾腺染色体，发现在少数幼虫的唾腺细胞内，体细胞联会的两条X
chrm中都一条短缺了一小段。据此，Bridges推测，子一代中之所以出现红眼♀蝇，是因为它的那一条由精子带来的X
chrm上缺失了一小段，而基因B正是位于缺失区段上，这就使正常X
chrm上B+的红眼效应得到了表达的机会，发育为红眼雌蝇。
这种假显性现象，很容易与隐性突变混淆，二者很难区分，必须通过相应的细胞学检查才能确定，不能仅根据表现型来判断。
当chrm的缺失区段很小时，正常区段与缺失区段的关系，相当于正常基因与隐性等位突变基因的关系。
如何区别微缺失和基因突变?
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| 二、重复 Duplication |
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重复 Duplication
五．
定义：chrm的某一区段加倍的结构变异称为重复。
六．
分类：一般分为两大类。
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1．
在同一染色体臂内重复，称为同臂重复。又可分为
①顺接重复
abcdecdef·ghi
②反接重复
abcdeedcf·ghi
2．
在一个臂内重复了另一个臂内的一部分，称为异臂重复。
abcdef·gcddehi
七．
重复的细胞学鉴定
缺失与重复都必须通过细胞学检查才能确定，然而，这种细胞学检查并不是很容易的。
对于缺失杂合体和重复杂合体，一般是在减数分裂的偶线期和粗线期进行检查。如果缺失和重复的区段位于染色体臂的中部，且既不是太长，又不是太短，则正常chrm和变异chrm所联会成的二价体常会出现环形或瘤状突出。
二者都能形成这种突出物，如何区分呢？从理论上讲，这两种突起是有本质的不同的。在缺失杂合体内，瘤或环是由正常chrm形成的。而在重复杂合体内，瘤或环则是由变异chrm形成的。
所以，必须参照chrm的正常长度、着丝粒的位置、染色体和染色粒的正常分布等进行比较才能区别这两种结构变异。
对于缺失和重复纯合体的鉴别就更难了。除了参照少数特征进行比较以外，还必须应用染色体分带的技术。
对于微小的缺失和重复也是很难鉴别的。
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四、重复的遗传学效应。 |
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1．
总体上说，对于生物体而言，不论重复的区段是长还是短，其危害程度均小于缺失。换句话说，生物体对重复的耐受性大于对缺失的耐受性。即使是重复纯合体也能较好地生长，更不用说杂合体了。含有重复chrm的配子也较少败育。尽管如此，重复毕竟改变了生物进化过程中长期形成的遗传平衡，必然会带来相应的遗传效应。
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2． 重复的剂量效应
果蝇的X
chrm上有一对与眼色有关的基因，V+-V，位于第10区B段与C段交界处。正常情况下，V+为V的显性。V+的表型效应为红色，V为朱红色，V+V为红眼。Bridges曾经得一条X
chrm，其上有V，又重复了一小段带有V+的区段，在同一染色体上有V+V。该重复纯合体♀蝇的基因型是V+V/V+V。表现为红色眼。这种情形是可以理解的。当该♀蝇与朱红色眼的♂蝇（V∥）杂交后，F1群体中的♂蝇基因型为V+V∥，红眼，这是正常的。♀蝇的基因型为V+V∥V，眼色却是朱红色的。这种情形就是不正常的了。
这说明两倍剂量的隐性基因V的表型效应超过了只有一份剂量的显性基因V+的表型效应，这就是基因的剂量效应。
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3．重复的位置效应
最著名的关于基因剂量效应和位置效应的例子还是关于果蝇棒眼的研究。
1925年，发现棒眼的许多种形状的出现与X
chrm上B所在区段的不等交换有关。（见图8-4）
由于不等交换，产生了一条16A区段重复的X
chrm，表现为棒眼。野生型果蝇的每个复眼大约由780个左右的红色小眼组成。16区A段重复以后小眼数量显著减少，只有358个左右。而重复纯合体的小眼数只有69个。这是基因的剂量效应的最好例证。
假如16区A在一条X chrm上重复两次，而另一条X
chrm正常，就剂量而言，与重复纯合体相同，但其小眼数则下降为45个。这是由于重复区段所在的位置不同，这就是所谓的位置效应。重复区段的位置不同，表现型的效应不同。基因的表现型效应因其所在染色体的位置不同而有一定程度的改变，这种现象称为基因的位置效应。
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| 三、倒位 |
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定义：染色体的某一区段或某些区段的直线顺序颠倒了的染色体结构变异称为Inversion。
分类：
1、简单倒位（simple
inversion）：一条染色体内只发生一次倒位。又分为：
a.臂内倒位：倒位的区段不包含着丝粒（paracentric inversion）.
b.臂间倒位：倒位的区段包含着丝粒（pericentric inversion）.
2、
复杂倒位：一条染色体内发生两次或两次以上的倒位。复杂倒位又分为若干种，这里不多讲。
一个个体对于倒位可以是纯合体，也可以是杂合体。倒位纯合体在细胞学上是完全正常的，也不会影响个体的生活力。
倒位的细胞学鉴别
用细胞学方法鉴别倒位的根据仍是倒位杂合体在减数分类列时的形象。倒位杂合体在减数分裂时，两条同源染色体不能以直线形式配对。可以分为以下三种情况。
若倒位区段很长，减数分裂的偶线期（zygotene）和粗线期（pachytene）倒位区段会反转方向配对，正常区段则排除在配对区段之外。
若倒位区段太短，则有可能倒位区段不配对。
若倒位区段既不太长又不太短，就有可能形成可见的倒位圈。这样，倒位区段能够联会，非倒位区段也能联会。
倒位圈也许看起来同缺失、重复而形成的环相似，但本质不同。倒位圈是两条chrm共同形成的，后者则是由一条chrm组成的。
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| 四、 的遗传学效应 |
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所以常见的缺失多为中间缺失。
3．
对于倒位纯合体而言，倒位区内与倒位区外的基因之间的重组率改变了。
染色体发生倒位以后，倒位区段内的基因的直线顺序颠倒了。倒位区内的基因与倒位区外的基因的距离随之发生改变。如上图，f与g之间原来交换值为5%（5
centimorgan）。Def区段倒位以后，f与g之间的交换率变为15%了。
倒位不仅改变了基因之间的交换值，也改变了基因之间固有的相邻关系，从而造成遗传性状的变异。因此，倒位是物种进化的重要途径之一。
据研究，很多近缘物种就是由于一次再次的倒位形成的。通过种间杂交，根据杂种减数分裂时染色体的联会情况，就可以分析物种之间的进化关系。
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2．倒位杂合体的部分不育
对于臂内倒位杂合体而言，只要非姐妹染色单体在倒位圈内发生交换，就有可能产生下列四种染色单体。
①无着丝粒的染色单体片段。
②
双着丝粒的缺失染色单体
③
缺失染色单体或既缺失又重复的染色单体。
④
正常染色单体和倒位但不缺失的染色单体
臂间倒位杂合体，着丝粒在倒位圈的外面，环内发生交换以后，虽然不会出现桥和断片，但也会使交换过的染色单体带有缺失和重复，形成不平衡的配子。这些配子一般也是没有生活力的。
不论是臂间倒位还是臂内倒位，只要在环内有交换发生，交换过的染色单体都带有缺失和重复，进入配子后往往引起配子的死亡，使得最后参与受精的配子几乎都是在环内没有发生过交换的。所以倒位的一个遗传学效应就是可以抑制或大大地降低倒位区段内同源染色体的交换与重组。所以有时又把倒位称为“交换抑制因子”。
前述用muller-5技术检测果蝇X-连锁的隐性致死突变和用平衡致死系统检测常染色体隐性突变的例子中都用到了抑制交换的遗传学效应。
（见图8-7)
而上述第④类染色单体只有发生了相互双交换时才能产生。上述①②③类都是在倒位圈内发生一次交换的产物。凡得到第①类，在减数分裂的后期I丢失。第②类在后期形成桥（染色体桥），尔后被拉断，变成缺失chrm，得到这种chrm的孢子是不育的。第③类本身缺失，或者既缺失又重复，得到它们的孢子也是不育的。所以，倒位的一个遗传学效应就是倒位杂合体的部分不育
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3、
倒位杂合体降低了某些连锁基因之间的重组率。
主要原因有两个方面。①得到交换过的染色单体的配子大多是不育的。交换值的计算方法是：重组型配子数/总的配子数。其表示方法是测交后代中重组型个体的比例。含有交换染色单体的配子是不育的，就降低了重组型配子的数目，因而降低了重组率。②由于倒位，倒位区段必须形成倒位圈才能与未倒位的相应地区段配对。而在倒位区段与非倒位区段交接处同源染色体之间的配对不如未倒位的正常区段紧密。我们知道，配对是交换的前提，配对不密切，当然在空间位置上影响交换，从而降低重组率。
例，玉米In5a(S.O-L.67)是一个臂间倒位，包括从短臂靠近着丝粒处起到长臂Pr-pr座位的区段。
不仅倒位区段内bt1-pr之间的重组率下降，而且bt1与倒位区段外的bm1 ,
a2的重组率也下降了。
再如，果蝇第3chrm，其上有这样几个基因
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以前认为果蝇中存在着一种交换抑制因子(C
, crossing over
repressor)，其实因子本身不过是一个或几个倒位，而所谓抑制交换，不过是因为在倒位杂合体（C/C+）中，在倒位环内发生过单交换的产物不能发育成有功能的配子，因而好象交换被抑制了。
例如，果蝇第1染色体上有一倒位品系，CⅢB，在第3染色体上有一个倒位，但外观上是野生型；另有一纯合突变品系，第3染色体正常，突变基因是st(scarlet
, 猩红眼) ,，sr(stripe , 条纹胸) , e(ebony , 黑檀体) , ro(rough
,粗糙眼) , ca(claret , 紫红眼)
。这两个品系杂交，子一代杂合体♀蝇再回交纯合突变品系。在e-ro区域。倒位附近的sr-e间单交换数降低很多，由预期的8%降低到0.15%，说明倒位可能部分地伸展到这个区域。离开倒位稍远，在st-sr间，交换值由预期的18%降到9.6%，然而还是很高，说明这个区域在倒位区以外。只发现两个不寻常的基因型，都可用倒位区段内的双交换说明，因为倒位区段内双交换所形成的产物没有重复和缺失，是正常的。这一例子说明，倒位可以大大地降低倒位环内基因的重组率。
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melanogaster
的st.sr.e.ro.ca品系的雄蝇与基因顺序为st.sr.ca.ro.e的倒位杂合♀蝇杂交。可以看到，所有的交换产物基本上都在倒位区以外，可见倒位可以抑制倒位区内基因的重组。为简便起见，纯合突变个体(c+)和纯合倒位个体(CⅢB)仅画出同源染色体中的一条。
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| 四、易位 |
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一．
定义：易位是指两个非同源chrm之间chrm片段的转移或互换。易位是染色体间的结构变异，与缺失、重复、倒位不同。
二．
分类：
1．
简单易位（simple translocation）:
chrm的一个片段易位到了另一个非同源染色体上。这种易位比较少见。
2．
相互易位（recirocal transloocation）
两个非同源chrm之间片段的相互交换。
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三． 细胞学鉴别
相互易位的纯合体没有明显的细胞学特征，减数分裂时的配对是正常的。可以稳定地从一个世代传递到另一个世代。
在减数分裂的zygotene和pachytene，相互易位的杂合体的染色体的同源区段同时发生联会。因此而常形成“十字”形图象。终变期（diakinesis）又可形成四体环或四体链，或“8”字形图象。
（见图8-9）
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| 四． 遗传学效应 |
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．
易位改变了基因之间的连锁关系。原来位于第1chrm上的一小段转移到了chrm2上，其上所载的基因本来与chrm1上的基因连锁，易位以后变为与chrm2上的基因连锁了。原来位于第2chrm上的一小段转移到了chrm1上，其上所载基因原来是与chrm2上的基因连锁的，现在已转变为与chrm1上的基因连锁了。
经研究，许多植物的变种就是这样产生的。比如，直果曼驼罗（Datura
stramonium），有12条染色体，分别标为1·2，3·4，5·6……21·22，23·24，这是原型一系。原型2系就是第一染色体和第九染色体的易位纯合体，1·18，2·17，原型3系是chrm6和chrm11的易位纯合体。已查明100个左右的变异系都是通过易位形成的易位纯合体，它们的外部形态各不相同。
易位还可能造成融合，从而导致染色体数目发生变化，使两个连锁群合并为一个连锁群。假如两个近端着丝粒染色体，一个在靠近着丝粒的长臂一侧断裂，另一个在靠近着丝粒的短臂一侧断裂，相互易位以后，一个得到两正常染色体的小部分。几乎不含有有用的基因，很容易在易位杂合体配子时丢失。另一个得到了两个正常染色体的绝大部分，成为大染色体。纯合以后，染色体数减少一个，而遗传物质损失很少。植物中的还阳参属内的物种染色体数就是这样递减的。从n=8、7到n=6、5、4、3不等
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2． 易位杂合体的半不育（semisterility）
semisterility是易位杂合体的显著特点。根据图8-9，易位杂合体在减数分裂前期联会成“十”字形，diakinesis因交叉端化而成为四体环或“8”字形。
一般情况下，这种四联体都是2/2分离的。在四体环中，2/2分离的时候，无论怎样分配，总是相邻的两个着丝粒趋向一极，另外两个相邻着丝粒趋向另一极。所以被称为相邻式分离。相邻式分离得到的二分子中，或者是1﹒12和2﹒21，或者是1﹒21和2﹒12，无论哪种都只含有重复缺失chrm。这些孢子都不能发育成正常能育的花粉和胚囊。
中期Ⅰ成为“8”字形结构的那些四联体，实质上还是一个四体环，只不管是空间构型改变了。正是由于这种空间构型的改变，使得它们可能进行相间式或者叫做交替式的2/2分离。交替分离产生的二分子，要么得到1、2两条正常chrm
,要么得到12和21两个相互易位了的chrm
。得到1﹒2的二分子当然发育成可育的♀♂配子，得到12和21的二分子也不曾缺少或增加任何遗传物质，在遗传上也是平衡的，因而也能发育成正常的♀♂配子。然而，交互式分离时，两条易位染色体进入细胞的一极，两个非易位染色体进入另一极，使非同源染色体上的基因间的自由组合受到抑制，出现假连锁现象。一般地说，交替式分离和相邻式分离比例相差不大，都在50%左右。这就是易位杂合体的半不育性（semisterility）。对有的易位杂合体来说。可能交替式分离多一些，对于另外一些杂合体来说则可能相邻式多一些。
易位杂合体只能产生两种可育配子，所产生的可育配子中有一半含有1﹒2两条正常chrm
，一半含有12和21两条易位染色体，在自交子代群体内，1/4是完全正常的个体，1/4是完全可育的易位纯合体，2/4仍是半不育的易位杂合体（12，1，2，21）。
这就是P137上讲的，植物中的半不育现象，即花粉一半败育，胚囊也一半败育，结实率50%左右。由半不育植株自交种子长成的植株又有半数是可育的，半数是半不育的。
从这一点说，在易位杂合体中，易位chrm的易位接合点相当于一个半不育的显性遗传单位（T）而正常chrm上与之对应的等位点就相当于一个可育的隐性遗传单位（t）。TT、tt均可育，Tt半不育。利用这一特性，可以给基因定位或确定T的位置。
若某一基因与易位点（T）连锁，且相距较近，可以用两点或三点测验法，测出T与该基因间的大致距离。
见图8-10
玉米长节间基因（Br）为短节间（br）的显性。某玉米的株高正常，但半不育，与完全可育的矮生品系杂交，再用该矮生品系与杂种群体中的半不育株测交，在测交子代中：
株高正常、完全可育 27 植株矮化、半不育 42
植株矮化、完全可育 279 株高正常、半不育 234
重组率 11.85
centimorgan
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3．
易位杂合体邻近接合点得计引进的重组率下降。
重组率下降的主要原因是联会不紧密。
玉米第5染色体和第9染色体的一个相互易位系，涉及第5染色体长臂的外侧一小段，和第9染色体短臂包括Wx座位在内的一大段，在正常的第9染色体上，yg2与sh之间的重组率为23%，sh和Wx之间的重组率为20%，但易位杂合体的这两个重组率分别下降为11%和5%。
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