生物的变异与遗传：基因突变和环境导致的差异

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：同种生物个体之间、亲代与子代之间存在的差异称为变异。变异是生物界的一种普遍现象。不遗传的变异是由于环境条件不同而产生的变异，不影响遗传物质。但有时染色体的结构和数目也可能发生变异，一旦变异，必然会使这部分基因所控制的性状发生相应的变化。如生物体细胞中只有一套染色体的，称为单倍体。基因突变有些是自发产生的，称自发突变。诱发突变的频率大大高于自发突变。

同种生物个体之间、亲代与子代之间存在的差异称为变异。变异是生物界的一种普遍现象。

变异可分成遗传的变异和不遗传的变异。遗传的变异是由遗传物质的改变（如染色体畸变和基因突变）所引起的，变异一旦发生，就可遗传下去。如果蝇的红眼变成粉红眼、白眼等。不遗传的变异是由于环境条件不同而产生的变异，不影响遗传物质。这种变异只表现在当代，而不能遗传。如同种植物，种植在肥沃和贫瘠的土壤中，结果植株的高矮、粗细，植株的外形和产量都会有明显的差异，这种差异是不遗传的。

变异的原因主要有以下两方面的因素：

（一）染色体畸变

染色体畸变是指染色体结构和数目上的变化。每种生物体细胞中染色体的结构和数目都是相对恒定的，这是区别不同种属的一个特征。但有时染色体的结构和数目也可能发生变异，一旦变异，必然会使这部分基因所控制的性状发生相应的变化。

1.染色体结构变异

染色体结构变异表现在，一个正常的染色体会发生断裂，有的断裂后就失去了一个片段，比正常染色体少了一段，失去片段上的基因也随之失去，如缺失严重，个体则不能成活，这种变异称为缺失；有的染色体断裂后，重新差错地接合一段与自己重复的片段，比正常染色体多出一段，这叫重复，如重复片段过大，个体也不能成活；有的染色体断裂后，倒转180°，重新差错地接合起来，造成这段染色体倒位，染色体上的基因位置顺序颠倒，这叫逆位或倒位；还有的染色体断裂后，差错地接合到非同源染色体上或两条非同源染色体相互交换了染色体片段，这叫易位（图4-3-18）。这些染色体断裂后的片段，丢失或重新接合时发生的差错，都会造成染色体结构的变化。

2.染色体数目的变异

一般生物体细胞中的染色体都是成对存在的，也就是说具有两套相同的染色体，这称为二倍体（用2n表示），二倍体生物经减数分裂形成配子时，配子里只含有一套染色体（用n表示）。如生物体细胞中只有一套染色体的，称为单倍体。

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图4-3-18　染色体结构变异的示意图

（1）单倍体及其应用

自然界中有些低等的动、植物，大部分为单倍体。高等植物中偶尔也会出现单倍体植株，但单倍体与二倍体比较，单倍体的植株瘦小，生活力差，有较高的死亡率。另外，因为单倍体只有一套染色体，不能减数分裂产生配子，因此，绝大多数单倍体是不育的。

由于单倍体只具有每对同源染色体中的一个染色体，也就只具有每对等位基因中的一个基因，因此，遗传基础很纯。如果用人工的方法处理，将单倍体的染色体加倍，就可得到遗传上稳定、纯合、性状不分离的二倍体纯系。根据这一特点，单倍体在育种和良种繁育中有极其重大的意义。单倍体育种可明显地缩短育种年限，如一般常规育种，不同品种杂交，后代出现分离要经过4～5代或更长年限的选择，才能获得相对稳定的株系。如不让杂交一代自交，采用单倍体培育，用花粉培养产生单倍体，再进行染色体加倍，大约两年即可育出性状不分离的纯系。

（2）多倍体及其应用

生物体细胞中有两套以上染色体的称为多倍体，有三套的称三倍体，有四套的称四倍体。多倍体在植物界中较为普遍，如香蕉是三倍体，水仙是四倍体，普通小麦是六倍体。一般多倍体植物生长旺盛、茎秆粗壮，花、果实、种子较大，抗寒、抗旱、抗病能力强，但同时具有发育延迟、结实率低的缺点。人们在育种中，利用多倍体的优点，采用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，使染色体加倍，人工培育出许多多倍体的新品种。如三倍体无籽西瓜、三倍体高糖甜菜、四倍体巨型葡萄、四倍体水稻等。

（二）基因突变

1.基因突变的概念

基因发生的变化称为基因突变。基因是DNA分子上有遗传效应的片段，只要构成基因的DNA分子上任何一点发生突变，都可产生基因突变。如人类的色盲、血友病、镰刀形细胞贫血症、白化病；果蝇红眼变白眼、长翅变残翅；高秆水稻变矮秆水稻等，都是由于基因突变而产生的。

如果是显性突变，在表现型上可立即显现出来；如果是隐性突变，可能要以杂合型状态潜伏几代，直到产生双隐性纯合体时才显现出来。

基因突变有些是自发产生的，称自发突变。水稻和玉米的糯性都来源于自发突变，人类的白化病也是自发突变。一般情况下，就某一生物的某一个性状来说，基因突变的频率是很低的，如白化病的突变频率只有百万分之三。基因突变也可在人为条件下诱发产生，称为诱发突变。诱发突变的频率大大高于自发突变。目前，诱发突变已成为创造育种材料的重要手段。我们在飞船上携带种子，就是利用宇宙空间的一些特殊条件，造成诱发突变，从而选育优良品种。

2.基因突变的原因

在一定的外界环境条件或生物内部因素的作用下，构成基因的DNA分子片段上的脱氧核苷酸（或碱基）增添、丢失或脱氧核苷酸的种类、数目和排列顺序发生了变化，都会导致基因突变。

一个DNA分子是由许多核苷酸组成的，每3个核苷酸构成一个密码子，密码子决定氨基酸的种类。人类的镰刀形细胞贫血症，是由基因突变引起的人类分子病，此病的发生原因是，构成血红蛋白的一条多肽链上的一个氨基酸（谷氨酸）被另一个氨基酸（缬氨酸）替代了，其实质是控制血红蛋白分子的DNA碱基序列发生了变化，造成了氨基酸的改变（表4-3-3）。

表4-3-3　正常血红蛋白和镰刀形贫血症血红蛋白氨基酸的差异

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生物的变异与遗传：基因突变和环境导致的差异

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