不同品種的菊花,玉米,紅眼和白眼果蠅
生物的不同品種都屬于變異
在豐富多彩的生物界中,蘊(yùn)含著形形色色的變異現(xiàn)象.在這些變異現(xiàn)象中,有的僅僅是由于環(huán)境因素的影響造成的,并沒有引起生物體內(nèi)的遺傳物質(zhì)的變化,因而不能夠遺傳下去,屬于不遺傳的變異.有的變異現(xiàn)象是由于生殖細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)的改變引起的,因而能夠遺傳給后代,屬于可遺傳的變異.可遺傳的變異有三種來(lái)源：基因突變,基因重組,染色體變異.
基因突變：
正常人的紅細(xì)胞是圓餅狀的,鐮刀型細(xì)胞貧血癥患者的紅細(xì)胞卻是彎曲的鐮刀狀的.這樣的紅細(xì)胞容易破裂,使人患溶性貧血,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致死亡,分子生物學(xué)的研究表明,鐮刀型細(xì)胞貧血癥是由基因突變引起的一種遺傳病.
基因突變的概念人們?cè)趯?duì)鐮刀型細(xì)胞貧血癥患者的血紅蛋白分子進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn),患者血紅蛋白分子的多肽鏈上,一個(gè)谷氨酸被纈氨酸替換.為什么發(fā)生氨基酸分子結(jié)構(gòu)的改變呢?經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),這是由于控制合成血紅蛋白分子的DNA的堿基序列發(fā)生了改變,這種改變最終導(dǎo)致了鐮刀型細(xì)胞貧血癥的產(chǎn)生.
除堿基的替換以外,控制合成血紅蛋白分子的DNA的堿基序列發(fā)生堿基的增添或缺失,有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致血紅蛋白病的產(chǎn)生.由于DNA分子中發(fā)生堿基對(duì)增添、缺失或改變,而引起的基因結(jié)構(gòu)的改變,就叫做基因突變.
基因突變是染色體的某一個(gè)位點(diǎn)基因的改變.基因突變使一個(gè)基因變成它的等位基因,并且通常會(huì)引起一定的表現(xiàn)型變化.例如,小麥從高稈變成矮稈,普通羊群中出現(xiàn)了短腿的安康羊等,都是基因突變的結(jié)果.
基因突變?cè)谏镞M(jìn)化中具有重要意義.它是生物變異的根本來(lái)源,為生物進(jìn)化提供了最初的原材料.
引起基因突變的因素很多,可以歸納為三類：一類是物理因素,如X射線、激光等；另一類是化學(xué)因素,是指能夠與DNA分子起作用而改變DNA分子性質(zhì)的物質(zhì),如亞硝酸、堿基類似物等；第三類是生物因素,包括病毒和某些細(xì)菌等.
基因突變的特點(diǎn)基因突變作為生物變異的一個(gè)重要來(lái)源,它具有以下主要特點(diǎn).
第一,基因突變?cè)谏锝缰惺瞧毡榇嬖诘?無(wú)論是低等生物,還是高等的動(dòng)植物以及人,都可能發(fā)生基因突變.基因突變?cè)谧匀唤绲奶胤N中廣泛存在.例如,棉花的短果枝,水稻的矮稈、糯性,果蠅的白眼、殘翅,家鴿羽毛的灰紅色,以及人的色盲、糖尿病、白化病等遺傳病,都是突變性狀.自然條件下發(fā)生的基因突變叫做自然突變,人為條件下誘發(fā)產(chǎn)生的基因突變叫做誘發(fā)突變.
第二,基因突變是隨機(jī)發(fā)生的.它可以發(fā)生在生物個(gè)體發(fā)育的任何時(shí)期.一般來(lái)說(shuō),在生物個(gè)體發(fā)育的過程中,基因突變發(fā)生的時(shí)期越遲,生物體表現(xiàn)突變的部分就越少.例如,植物的葉芽如果在發(fā)育的早期發(fā)生基因突變,那么由這個(gè)葉芽長(zhǎng)成的枝條,上面著生的葉、花和果實(shí)都有可能與其他枝條不同.如果基因突變發(fā)生在花芽分化時(shí),那么,將來(lái)可能只在一朵花或一個(gè)花序上表現(xiàn)出變異.
基因突變可以發(fā)生在細(xì)胞中,也可以發(fā)生在生殖細(xì)胞中.發(fā)生在生殖細(xì)胞中的突變,可以通過受精作用直接傳遞給后代.發(fā)生在體細(xì)胞中的突變,一般是不能傳遞給后代的.
第三,在自然狀態(tài)下,對(duì)一種生物來(lái)說(shuō),基因突變的頻率是很低的.據(jù)估計(jì),在高等生物中,約10五次方到10的八次方個(gè)生殖細(xì)胞中,才會(huì)有1個(gè)生殖細(xì)胞發(fā)生基因突變,突變率是10的負(fù)五次方到10的負(fù)八次方.
第四,在多數(shù)基因突變對(duì)生物體是有害的.由于任何一物都是長(zhǎng)期進(jìn)化過程的產(chǎn)物,它們與環(huán)境條件已經(jīng)取得了高度的協(xié)調(diào).如果發(fā)生基因突變,就有可能破壞這種協(xié)調(diào)關(guān)系.因此,基因突變對(duì)于生物的生存往往是有害的.例如,絕大多數(shù)的人類遺傳病,就是由基因突變?cè)斐傻?這些病對(duì)人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅.又如,植物中常見的白化苗,也是基因突變形成的.這種苗由于缺乏葉綠素,不能進(jìn)行光合作用制造有機(jī)物,最終導(dǎo)致死亡.但是,也有少數(shù)基因突變是有利的.例如,植物的抗病性突變、耐旱性突變、微生物的抗藥性突變等,都是有利于生物生存的.
第五,基因突變是不定向的.一個(gè)基因可以向不同的方向發(fā)生突變,產(chǎn)生一個(gè)以上的等位基因.例如,控制小鼠毛色的灰色基因可以突變成黃色基因,也可以突變成黑色基因.
人工誘變?cè)谟N上的應(yīng)用人工誘變是指利用物理因素（如X射線、γ射線、紫外線、激光等）或化學(xué)因素（如亞硝酸、硫酸二乙酯等）來(lái)處理生物,使生物發(fā)生基因突變.用這種方法可以提高突變率,創(chuàng)造人類需要的變異類型,從中選擇、培育出優(yōu)良的生物品種.

基因重組：
基因重組是指在生物體進(jìn)行有性生殖的過程中,控制不同性狀的基因的重新組合.基因的自由組合定律告訴我們,在生物體通過減數(shù)分裂形成配子時(shí),隨著非同源染色體體的自由組合,非等位基因也自由組合,這樣,由雌雄配子結(jié)合形成是一種類型的基因重組.在減數(shù)分裂形成四分體時(shí),由于同源染色體的非姐妹染色單體之間常常發(fā)生局部交換,這些染色體單體上的基因組合,是另一種類型的基因重組.
基因重組是通過有性生殖過程實(shí)現(xiàn)的.在有性生殖過程中,由于父本和母本的遺傳特質(zhì)基礎(chǔ)不同,當(dāng)二者雜交時(shí),基因重新組合,就能使子代產(chǎn)生變異,通過這種來(lái)源產(chǎn)生的變異是非常豐富的.父本與母本自身的雜合性越高,二者的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)相差越大,基因重組產(chǎn)生變異的可能性也越大.以豌豆為例,當(dāng)具有10對(duì)相對(duì)性狀（控制這10對(duì)相對(duì)性狀的等位基因分別位于10對(duì)同源染色體上）的親本進(jìn)雜交時(shí),如果只考慮基因的自由組合所引起的基因重組,F2可能出現(xiàn)的表現(xiàn)型就有1024種（即2的十次方）.在生物體內(nèi),尤其是在高等動(dòng)植物體內(nèi),控制性狀的基因的數(shù)目是非常巨大,因此,通過有性生殖產(chǎn)生的雜交后代的表現(xiàn)型種類是很多的.如果把同源染色體的非姐妹染色單體交換引起的基因重組也考慮在內(nèi),那么生物通過有性生殖產(chǎn)生的變異就更多了.
由此可見,通過有性生殖過程實(shí)現(xiàn)的基因重組,為生物變異提供了極其豐富的來(lái)源.這是形成生物多樣性的重要原因之一,對(duì)于生物進(jìn)化具有十分重要的意義.

染色體變異：
基因突變是染色體的某一個(gè)位點(diǎn)上基因的改變,這種改變?cè)诠鈱W(xué)顯微鏡下是看不見的.而染色體變異是可以用顯微鏡直接觀察到的比較明顯的染色體變化,如染色體結(jié)構(gòu)的改變、染色體數(shù)目的增減等.

染色體結(jié)構(gòu)的變異：
人類的許多遺傳病是由染色體結(jié)構(gòu)改變引起的.例如,貓叫綜合征是人的第5號(hào)染色體部分缺失引起的遺傳病,因?yàn)榛疾和蘼曒p,音調(diào)高,很像貓叫而得名.貓叫綜合征患者的兩眼距離較遠(yuǎn),耳位低下,生長(zhǎng)發(fā)育遲緩,而且存在嚴(yán)重的智力障礙.
在自然條件或人為因素的影響下,染色體發(fā)生的結(jié)構(gòu)變異主要有4種：1.染色體中某一片段的缺失；2.染色體增加了某一片段；3.染色體某一片段的位置顛倒了180度；4.染色體的某一片段移接到另一條非同源染色體上.
上述染色體結(jié)構(gòu)的改變,都會(huì)使排列在染色體上的基因的數(shù)目和排列順序發(fā)生改變,從而導(dǎo)致性狀的變異.大多數(shù)染色體結(jié)構(gòu)變異對(duì)生物體是不利的,有的甚至?xí)?dǎo)致物體死亡.
染色體數(shù)目的變異：
一般來(lái)說(shuō),每一種生物的染色體數(shù)目都是穩(wěn)定的,但是,在某些特定的環(huán)境條件下,生物體的染色體數(shù)目會(huì)發(fā)生改變,從而產(chǎn)生可遺傳的變異.染色體數(shù)目的變異可以分為兩類：一類是細(xì)胞內(nèi)的個(gè)別染色體增加或減少,另一類是細(xì)胞內(nèi)的染色體數(shù)目以染色體組的形式成倍地增加或減少.
染色體組在大多數(shù)生物的體細(xì)胞中,染色體都是兩兩成對(duì)的.例如,果蠅有4對(duì)共8條染色體,這4對(duì)染色體可以分成兩組,每一組中包括3條常染色體和1條性染色體.就雄果蠅來(lái)說(shuō),在精子形成的過程中,經(jīng)過減數(shù)分裂,染色體的數(shù)目減半,所以雄果蠅的精子中含有一組非同源染色體（Ⅹ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 或 Y、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）
細(xì)胞中的一組非同源染色體,它們?cè)谛螒B(tài)和功能上各不相同,但是攜帶著控制一種生物生長(zhǎng)發(fā)育、遺傳和變異的全部信息,這樣的一組染色體,叫做一個(gè)染色體組.例如,雄果蠅精子中的這組染色體就組成了一個(gè)染色體組.
二倍體和多倍體 由受精卵發(fā)育而成的個(gè)體,體細(xì)胞中含有兩個(gè)染色體組的叫做二倍體.體細(xì)胞中含有三個(gè)或三個(gè)以上染色體組的叫做多倍體.其中,體細(xì)胞中含有三個(gè)染色體組的叫做三倍體；體細(xì)胞中含有四個(gè)染色體組的叫做四倍體.例如,人、果蠅、玉米是二倍體,香蕉是三倍體,馬鈴薯是四倍體.多倍體在植物中很常見,在動(dòng)物中比較少見.
多倍體產(chǎn)生的主要原因,是體細(xì)胞在有絲分裂的過程中,染色體完成了復(fù)制,但是細(xì)胞受到外界環(huán)境條件（如溫度驟變）或生物內(nèi)部因素的干擾,紡錘體的形成受到破壞,以致染色體不能被拉向兩極,細(xì)胞也不能分裂成兩個(gè)子細(xì)胞,于是就形成染色體數(shù)目加倍的細(xì)胞.如果這樣的細(xì)胞繼續(xù)進(jìn)行正常的有絲分裂,就可以發(fā)育成染色體數(shù)目加倍的組織或個(gè)體.
人工誘導(dǎo)多倍體在育種上的應(yīng)用與二倍體植株相比,多倍體植株的莖稈粗壯,葉片、果實(shí)和種子都比較大,糖類和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量都有所增加.例如,四倍體葡萄的果實(shí)比二倍體品種的大得多,四倍體番茄的維生素C的含量比二倍體的品種幾乎增加了一倍.因此,人們常常采用人工誘導(dǎo)多倍體的方法來(lái)獲得多倍體,培育新品種.
人工誘導(dǎo)多倍體的方法很多.目前最常用而且最有效的方法,是用秋水仙素來(lái)處理萌發(fā)的種子或幼苗.當(dāng)秋水仙素作用于正在分裂的細(xì)胞時(shí),能夠抑制紡錘體形成,導(dǎo)致染色體不分離,從而引起細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)目加倍.染色體數(shù)目加倍的細(xì)胞繼續(xù)進(jìn)行正常的有絲分裂,將來(lái)就可以發(fā)育成多倍體植株.目前世界各國(guó)利用人工誘導(dǎo)多倍體的方法已經(jīng)培育出不少新品種,如含糖量高的三倍體無(wú)子西瓜和甜菜.此外,我國(guó)科技工作者還創(chuàng)造出自然界沒有的作物----八倍體小黑麥.
單倍體在生物的體細(xì)胞中,染色體的數(shù)目不僅可以成倍地增加,還可以成倍地減少.例如,蜜蜂的蜂王和工蜂的體細(xì)胞中有32條染色體,而雄蜂的體細(xì)胞中只有16條染色體.像蜜蜂的雄蜂這樣,體細(xì)胞中含有本物種配子染色體數(shù)目的個(gè)體,叫做單倍體.
在自然條件下,玉米、高糧、水稻、番茄等高等植物,偶爾也會(huì)出現(xiàn)單倍體植株.與正常植株相比,單倍體植株長(zhǎng)得弱小,而且高度不育.但是,它們?cè)谟N上有特殊的意義.育種工作者常常采用花藥離體培養(yǎng)的方法來(lái)獲得單倍體植株,然后經(jīng)過人工誘導(dǎo)使染色體數(shù)目加倍,重新恢復(fù)到正常植株的染色體數(shù)目.用這種方法得到的植株,不僅能夠正常生殖,而且每對(duì)染色體上的成對(duì)的基因都是純合的,自交產(chǎn)生的后代不會(huì)發(fā)生性狀分離.因此,利用單倍體植株培育新品種,只需要兩年時(shí)間,就可以得到一個(gè)穩(wěn)定的純系品種.與常規(guī)的雜交育種方法相比,明顯縮短了育種年限.