粗糙脈孢菌7種子囊型歸類教學探究

王春明，孫英莉，林昌俊，王銘裕，牛月，李曉峰，馮虎元

粗糙脈孢菌7種子囊型歸類教學探究

王春明，孫英莉，林昌俊，王銘裕，牛月，李曉峰，馮虎元

蘭州大學生命科學學院, 蘭州 730000

遺傳分析是本科遺傳學教學的重要內(nèi)容，四分子分析是真菌類遺傳分析的獨特方式，其中的粗糙脈孢菌順序四分子分析不僅可以研究基因與著絲粒間的重組、基因間的重組，而且還可以精細研究同源染色體非姊妹染色單體之間的交換形式，是深入理解交換重組分子機制的重要遺傳學研究材料。對此，教材中已有詳盡的介紹。美中不足的是，中外教科書和相關(guān)專業(yè)期刊中缺乏對順序四分子兩基因連鎖分析中7種基本子囊型歸納方法的具體介紹，令相關(guān)內(nèi)容的學習留下疑惑。本文從順序四分子兩基因連鎖遺傳分析過程中涉及的3種四分子類型(PD、NPD和T)與兩基因4種分離時期組合(Ⅰ Ⅰ, Ⅱ Ⅱ, Ⅰ Ⅱ, Ⅱ Ⅰ)的相互關(guān)系入手，設(shè)計表格，直觀展現(xiàn)了二者的12種可能組合結(jié)果(3×4=12)，并應用直觀的對錯符號(√、×)，同時結(jié)合表后的3項分析，排除了其中的5種組合形式，最終歸納得到7種基本子囊型。本文提供了7種基本子囊型具體的歸納分析方法，解決了相關(guān)教學內(nèi)容的論述不足問題，以期為真菌類順序四分子遺傳分析的教學提供幫助。

真菌；順序四分子；基本子囊型；四分子分析；遺傳分析

經(jīng)典遺傳學研究的一個主要任務(wù)是確定基因間的圖距，這在當前綜合性高校本科遺傳學教學中仍然是教學的重點。由于動物、植物、細菌和病毒等不同生物的生活史千差萬別，遺傳學家針對不同生物的特點研究了獨特的遺傳分析方法。其中，四分子分析(tetrad analysis)是專門針對真菌生活史設(shè)計的遺傳分析方法。四分子(tetrad)是指性母細胞減數(shù)分裂產(chǎn)生的4個子細胞。真菌有性生殖過程中形成的合子隨即進行減數(shù)分裂，也會形成4個子細胞，這4個子細胞共同存在于子囊里，緊接著再進行一次有絲分裂，形成了含有8顆子囊孢子的子囊。這8顆子囊孢子因兩兩源于有絲分裂而在遺傳性狀上一致(圖1)，子囊孢子間的差異僅僅體現(xiàn)在最后這次有絲分裂前的四分子的遺傳背景上，因此在遺傳分析時，可以忽略一半的子囊孢子(忽略最后這次有絲分裂新形成的孢子)，而僅僅考察減數(shù)分裂形成的四分子的遺傳差異，這種針對四分子遺傳性狀的分析方式就是真菌類遺傳分析所特有的四分子分析。

真菌的子囊類型依據(jù)內(nèi)部子囊孢子排列的特點可進一步區(qū)分為順序四分子(ordered tetrad)和非順序四分子(unordered tetrad)。順序四分子因其所在子囊狹小，限制了減數(shù)分裂后期兩個子細胞核的自由移動，造成子細胞在子囊內(nèi)的隨機分布與分裂后期紡錘體的方向直接相關(guān)，如果某基因與著絲點之間發(fā)生交換，則可以通過子囊孢子在子囊中的排列情況加以研究，進而計算出該基因與著絲點之間的圖距，這就是順序四分子的著絲粒作圖(centromere mapping)。順序四分子分析通常以粗糙脈孢菌()為代表。正如戴灼華和王亞馥主編的教材中總結(jié)的那樣，順序四分子在遺傳分析中具有獨特的優(yōu)越性，可以揭示其他遺傳分析方法所不能發(fā)現(xiàn)的遺傳本質(zhì)[1]。教材具體總結(jié)了順序四分子分析的4個優(yōu)點：(1)將著絲粒視作一個基因座，計算某一基因與著絲粒的重組率；(2)子囊孢子的對稱性，證明了減數(shù)分裂是一個交互的過程；(3)可檢驗染色單體的交換是否存在干涉現(xiàn)象，并且可以利用它來研究基因轉(zhuǎn)變現(xiàn)象；(4)發(fā)現(xiàn)雙交換不僅可以包括4線中的2線，而且還可以包括3線或4線。這些都深入揭示了交換重組的精細結(jié)構(gòu)信息[1]。

圖1 著絲粒作圖所涉6種子囊型的形成過程

A：第一次分裂分離型(MI)子囊中的子囊孢子A/a基因與著絲粒之間沒有發(fā)生交換重組，可獲得2類子囊型，這2類子囊型出現(xiàn)的幾率相等; B：第二次分裂分離型(MII)子囊中的子囊孢子A/a基因與著絲粒之間發(fā)生了1次交換重組，可以得到4類子囊型，這4類子囊出現(xiàn)的幾率相等。

順序四分子的某一基因與著絲粒之間發(fā)生交換可獲得6種子囊型(圖1)，于是在分析某二基因分別與著絲粒之間的交換時，因互為獨立事件的屬性，理論上可得到6×6=36種子囊型。對36種子囊型進行統(tǒng)計分析無疑是個艱巨的任務(wù)，遺傳學家通過分析歸納，將這36種子囊型歸納為7種基本子囊型，大大簡化了順序四分子的遺傳分析。遺憾的是，查閱幾種中英文遺傳學教材，并沒有發(fā)現(xiàn)對如何歸納的具體過程進行介紹[1-3]，檢索與四分子分析相關(guān)的期刊論文也未發(fā)現(xiàn)專門針對這7個基本子囊型歸納方法的論文[4~7]。例如，我校選用的遺傳學教材對此的介紹是“一對基因雜交，有6種不同的子囊型，兩對基因雜交必有6×6=36種不同的子囊類型；但是因為半個子囊內(nèi)的基因型次序可以忽視，不論是n+孢子對在“上面”，+a孢子對在“下面”，還是+a在“上面”，n+孢子對在“下面”，都不過是反映著絲粒在減數(shù)分裂過程中的隨機趨向而已，所以可以將36種不同的子囊型歸納為7種基本子囊型”[1]。師生普遍反映這樣的描述并不能讓他們明白這7種基本子囊型具體是如何歸納的。這種具體歸納方法和過程的缺失，令在教學中透徹理解7種基本子囊型的來源一直存在困難。因此，本文針對這7種基本子囊型具體的歸納過程，力求給出清晰可控的歸納方法，以期為真菌類順序四分子遺傳分析的教學提供幫助。

1 著絲粒作圖涉及到6種子囊型

順序四分子在子囊中的排列直接反映減數(shù)分裂時同源染色體以及姊妹染色單體的分離和分布情況。圖1A示基因A/a與著絲粒間無交換情況下產(chǎn)生2類子囊型，亦稱MI型，代表A和a這對等位基因在減數(shù)分裂的第一次分裂時即已分離，亦即得到的二分子是A/A和a/a，四分子是AAaa和aaAA。圖1B示A/a基因與著絲粒之間發(fā)生一次交換的情況下，產(chǎn)生4類子囊型，亦稱MII型，表示A和a基因在減數(shù)分裂的第二次分裂后的四分子時期才分離，而在第一次分裂形成的二分子中仍然以A/a的雜合狀態(tài)存在。因此，在考察基因A/a與著絲粒間的圖距時，一共可獲得6種子囊型，其中2種MI型是非交換型，4種MII型是交換型，亦即可將這6種子囊型歸納為MI和MII兩類。中文教材對著絲粒作圖已有詳細介紹，并給出了利用這6種子囊型計算基因與著絲粒之間圖距的計算公式[1]，在此不再詳述。

2 兩個連鎖基因作圖所涉7類基本子囊型的歸納方法

上述著絲粒作圖研究的是一個基因與著絲粒之間的交換，包含MI和MII兩類、共6種子囊型。如果分別考察兩個基因與著絲粒間的交換重組，進而考察兩基因間的重組，則可預期有6×6=36種不同的子囊類型。例如，考察A基因與著絲粒間的交換，可得6種子囊型；考察B基因與著絲粒間的交換，同樣可得B基因的6種子囊型。那么，同時考慮A和B兩個基因間的關(guān)系，就可能得到6×6=36種子囊型。

以基因型AB × ab個體雜交為例，如果僅僅考察A基因與B基因間是否發(fā)生了交換重組，即不考慮孢子排列，只考慮A和B兩個基因的組合，可以依據(jù)后代子囊所含子囊孢子的基因型將后代子囊歸納為3類(表1)：(1)后代子囊中的子囊孢子基因型如果只有AB和ab兩種，與兩個親本相同，這樣的子囊稱為親二型(parental ditype, PD)；(2)后代子囊中的子囊孢子如果只有Ab和aB兩種基因型，即二者基因型與雙親(AB, ab)均不同，則將此類子囊稱為非親二型(nonparental ditype, NPD)；(3)還有一種情況是后代子囊中的子囊孢子基因型包括AB、ab、Ab和aB 4種組合，既有雙親的基因型(AB, ab)，又有重組型(Ab, aB)，這樣的子囊含有4種基因型的孢子，故稱為四型(tetratype, T)。由于交換重組的交互性，一般不會出現(xiàn)這3類以外的子囊類型?？梢?，PD子囊中的孢子在A和B基因間沒有發(fā)生重組，保持親本的基因型(AB, ab)；NPD子囊中的孢子在A和B基因間全部發(fā)生了重組，都是重組型(Ab, aB)；而T子囊中的孢子有一半是親本型(AB, ab)一半是重組型(Ab, aB)。因此，考察A和B基因是否重組，可將后代子囊分為PD、NPD和T 3類。中文教材中詳細介紹了這3類子囊的形成機制，以及如何利用它們計算二基因間的圖距[1]，此處不再贅述。本文要解決的問題是表2中列出的7種基本子囊型是如何從36種可能子囊型中歸納出來的。

表1 AB×ab雜交子代可歸納為3種四分子類型

如前述，如果分別考察A/a基因及B/b基因與著絲粒間的交換重組，可分別將子囊類型區(qū)分為MI和MII型(圖1)。綜合考慮這些特點，即可將36種子囊型歸納為7類基本子囊型(表2)。

由表2可見，依據(jù)A基因和B基因在子囊形成過程中的分離時期，可將子囊分為4類：即Ⅰ Ⅰ、Ⅱ Ⅱ、Ⅰ Ⅱ、Ⅱ Ⅰ分別代表A/a基因和B/b基因所屬MI或MII分離型的4種組合方式。即這兩對等位基因同時屬于MI分離(Ⅰ Ⅰ)；同時屬于MII分離(Ⅱ Ⅱ)；A/a屬于MI分離，B/b屬于MII分離(Ⅰ Ⅱ)；A/a屬于MII分離，B/b屬于MI分離(Ⅱ Ⅰ)。此外，依據(jù)子囊孢子的基因型，可將子囊分為PD、NPD、T 3類。應用這兩個特征(4種分離型組合、3類子囊型)即可將36種子囊型歸納為7種基本子囊型。也就是說，表2所示7類基本子囊型可以看作是4種分離型組合與3類四分子類型共同決定的(表3)。

由表3可見，A/a和B/b基因的4類分離型與3類四分子類型兩個條件理論上可以歸納得到3×4= 12種基本子囊型。其中有5類子囊型是不存在的，可作如下推理分析：

表2 AB × ab雜交子代歸納出7類基本子囊型

Ⅰ：第一次分裂分離型MI；Ⅱ：第二次分裂分離型MII。

表3 7類基本子囊型的歸納推導方法

Ⅰ：第一次分裂分離型MI；Ⅱ：第二次分裂分離型MII?！蹋河写祟愖幽倚?；×：無此類子囊型。

(1) PD類型的子囊中，A/a基因和B/b基因的分離時期要么同為MI，要么同為MII，不可能一個是MI而另一個是MII，反之亦然。例如：A/a基因為MI，AA/aa，對應的B/b基因如果是MII，那么四分子的基因型將是AB Ab/aB ab，此類子囊屬于T型而非PD。因此表2中的PD與Ⅰ Ⅱ和Ⅱ Ⅰ兩類分離型組合的子囊是不存在的。故排除2類子囊型。

(2) NPD類型的子囊中，A/a基因和B/b基因的分離型組合與PD類型同理。因為二基因不同分離型的組合，得到的將是T型，亦非NPD。故排除2類子囊型。

(3) T類子囊中，A/a基因和B/b基因的分離時期同為MI是不可能的。舉例如下，A/a基因的MI分離(AA/aa)，如果B/b基因也是MI分離，則其可能的子囊型為AB AB/ab ab(PD)或Ab Ab/aB aB (NPD)，而非T型。故排除1類子囊型。

由此可見，表3理論上的12類子囊型中有5類是不成立的，12?5=7，于是就可以根據(jù)4類分離型和3類四分子類型通過分析歸納得到7類基本子囊型。表3內(nèi)容結(jié)合其后的3點分析很好地給出了7類基本子囊型的歸納推導方法。

3 討論

近期的遺傳學教學論文逐漸回歸和重視教學內(nèi)容的研究[8~10]，使相關(guān)論文的含金量得到較大的提升。這其中，既有關(guān)于新的教學內(nèi)容的建議[8,10]，也有對具體實驗設(shè)計的探討[9]，這無疑會對遺傳學教學起到重要的提升和促進作用。本文作者在長期的遺傳學教學實踐過程中，也比較注重教學內(nèi)容的研究，曾就遺傳漂變定義中“抽樣”概念的使用專門撰文提出建議[11]，理清了“抽樣”概念的具體涵義，助力遺傳漂變概念的講解。本文則針對教材對絲狀真菌粗糙脈胞菌順序四分子兩個連鎖基因遺傳分析，涉及到的7種基本子囊型的歸納方法介紹得不夠詳盡這一不足，結(jié)合自己多年教學中對這一問題的思考，以及查閱相關(guān)文獻，總結(jié)出一套較為簡便易懂的歸納方法(表3及相關(guān)推理)，以期提高順序四分子分析的教學效果。

如前所述，我校選用的高教版遺傳學教材對這一問題并沒有給出具體的歸納方法[1]，國外的英文版遺傳學教材對這一問題也沒有給予足夠的重視。Hartwell等主編的2011版教材提及并列表介紹了這7類子囊型(These tetrads were classified in seven different groups—A, B, C, D, E, F, and G—as shown in Fig. 5.22a.)，但并未介紹具體的歸納方法[3]。而另外兩部英文教材則根本沒有提及這7類基本子囊型的情況[2,12]。其中Anthony等主編的2015版教材雖然沒有在正文中涉及，但是在課后習題中提出了為什么只有7種子囊型這一問題(Why are there only seven classes?)[2]，但遺憾的是，作者給出的習題答案也沒有介紹具體的歸納方法。這些教材存在的不足，促使本文作者繼續(xù)查閱相關(guān)文獻，以期尋找一些幫助。

外文數(shù)據(jù)庫中檢索到相關(guān)度較高的英文文獻很少，比較有參考價值的是一篇題為“順序四分子統(tǒng)計分析”的文獻[7]，作者竟然寫到要“檢查全部36種子囊……”(After examining all 36 distinguishable patterns, the number of distinct probabilities is seven……)，這顯然難以在課堂上推廣。從CNKI數(shù)據(jù)庫檢索到涉及四分子分析的3篇中文文獻，有一篇沒有提及7類基本子囊型的問題[6]，其余兩篇則不同程度地涉及到了這一問題[4,5]。2008年楊先泉等[5]發(fā)文詳細列出了36種子囊型，并給出了對應的7類基本子囊型，但并未從理論上給出歸納總結(jié)的依據(jù)和推導方法，沒有重點介紹7類基本子囊型的分類問題。2009年劉衛(wèi)東[4]對此問題給出了較好的介紹，“根據(jù)上述分類原則，按直線排列孢子對的組合方式，M1M1型子囊只有PD和NPD，M1M2和M2M1只有T，M2M2可有PD、NPD和T型，這樣可把所有孢子囊類型簡化為7種類型”。這一描述與我們在本文中運用的是同一邏輯，只是在歸納方法上還稍欠直觀。

總之，從方便教學和易于學生掌握出發(fā)，本文結(jié)合二基因“分離型組合”以及“四分子類型”兩個條件，通過表3直觀展現(xiàn)了二者的12類可能組合(3×4=12)，并引入對錯符號(√、×)，附以表后的3項分析，排除了其中的5類，最終得到7類基本子囊型。本文明確提出了7類基本子囊型具體的歸納分析方法，解決了相關(guān)教學內(nèi)容的遺留問題，為教學實踐提供了具體的素材。希望表3的分析方法能夠?qū)φ婢愴樞蛩姆肿舆z傳分析的教學提供幫助。

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How to deduce the seven basic class asci of ordered tetrads in

Chunming Wang, Yingli Sun, Changjun Lin, Mingyu Wang, Yue Niu, Xiaofeng Li, Huyuan Feng

Genetic analysis is an important part of undergraduate genetics teaching and tetrad analysis is unique and integral for genetic analysis of fungi. The ordered tetrad inis an important material for genetic analysis, which can not only be used to study recombination between genes and centromeres, but also between genes themselves, as well as study the fine cross patterns between non-sister chromatids of homologous chromosomes. However, in textbooks and related professional journals, there is a lack of specific introduction to the induction methods of the seven basic class asci used in two genes analysis. In the present paper, we designed a table presenting the correlation between the three tetrad types (PD, NPD, T) and the four segregation pattern groups (Ⅰ Ⅰ, Ⅱ Ⅱ, Ⅰ Ⅱ, Ⅱ Ⅰ) to visually show the 12 possible combinations (3×4=12). Then five of them were excluded through the "×" symbol and in addition with three comments attached with the table, thus finally we obtained seven basic ascus types. We hope that this analytical method can assist the teaching of ordered tetrad analysis in.

fungus; ordered tetrad; basic classes ascus;tetrad analysis;genetic analysis

2019-06-24;

2019-09-26

國家基礎(chǔ)學科人才培養(yǎng)基金項目(編號J1210033，J1210077)和蘭州大學教學研究項目資助[Supported by the Undergraduate Training Project of National Science Foundation of China (Nos. J1210033, J1210077), and Teaching research project of Lanzhou University]

王春明，博士，副教授，碩士生導師；研究方向：細胞遺傳學。E-mail: cmwang@lzu.edu.cn

10.16288/j.yczz.19-181

2019/9/26 17:19:06

URI: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.r.20190925.1111.002.html

(責任編委: 謝建平)