真核生物基因定位的實驗探索（1）

王 海 荊永濤

（河南省周口市第一高級中學 河南周口 466000）

廣義的基因定位是指基因所屬連鎖群或染色體及基因在染色體上的具體位置的測定。本文不涉及遺傳實驗的具體步驟和基因精確定位，主要是從經典基因定位的家系（種群）水平和現代基因定位的細胞與分子水平，共3 個層面上討論基因的粗略定位，以探討如何通過一系列教學環節，落實《普通高中生物學課程標準（2017年版）》課程理念、課程性質和目標。首先是關于遺傳學史的回顧。

1 著名遺傳學家及常用實驗材料

1）魏斯曼（A.Weisman）于1883年提出“種質論”。主張生物體由質上根本相異的2 部分——種質和體質組成。種質負責傳遞保持物種種性的全部遺傳因子，體質保護和幫助種質自身繁衍。

2）孟德爾（J.G.Mendel）從1856年開始進行了8年的豌豆雜交實驗，提出了著名的遺傳因子假說，并用假說-演繹法對豌豆的性狀遺傳進行了大量的數學統計分析，采用從一對相對性狀到多對相對性狀進行研究的方法，發現了遺傳學的分離定律和自由組合定律。孟德爾的發現在被埋沒了35年之后才被3 位科學家“重新發現”：荷蘭的德·弗里斯（H.de·Vires）以月見草為材料，德國的柯倫斯（C.Correns）以玉米為材料，奧地利的丘歇馬克（Tschermak）以豌豆為材料，3 人分別證實了孟德爾定律之正確。這標志著生物學研究進入實驗生物學階段。

1902年鮑維豐（T.Boveri）、1903年薩頓（W.Sutton）在研究減數分裂時，發現遺傳因子的行為與染色體行為呈平行關系，薩頓用類比推理法提出染色體是遺傳因子的載體。1909年約翰遜（W.Johannsen）稱孟德爾的“遺傳因子”為“基因（gene）”，并明確基因型和表型。1909年詹森斯（F.A.Janssen）觀察到染色體在進行減數分裂時呈交叉現象，為解釋基因連鎖互換現象提供了細胞學基礎。

3）摩爾根（T.H.Morgan）通過對果蠅的實驗研究，首次將一個基因（果蠅白眼基因）定位于一條染色體（X 染色體）上，揭示了遺傳學第三定律——基因的連鎖互換定律，成為孟德爾學說的堅決支持者和繼承發展者。摩爾根及其學生還進一步證明了基因在染色體上呈線性排列，開辟了遺傳學的新篇章。

4）艾弗里（O.T.Avery）于1944年采用肺炎雙球菌轉化實驗證明了肺炎雙球菌的遺傳物質是DNA。赫爾希（A.D.Hershey）等于1952年采用噬菌體侵染大腸桿菌實驗，進一步確認了DNA 是遺傳物質。

5）沃森（Watson）和克里克（Crick）于1953年提出DNA 雙螺旋結構模型，標志著遺傳學及整個生物學進入分子水平的新時代。1948年麥克林托克（B.Mclintock）在玉米中發現可動遺傳因子，即轉座因子。隨后科學家探明了mRNA、tRNA 及核糖體的功能，探明蛋白質生物合成的過程，提出“中心法則”，完成人類基因組計劃（HGP）等，遺傳學逐漸進入后基因組時代。循著前人足跡不斷地探索，是人類進步的方向，引導學生學會像科學家一樣思考必將使其終生受益。

2 經典基因定位——遺傳家系(種群)層次的基因定位

2.1 通過正、反交實驗進行基因定位

探究情境：豌豆、果蠅和玉米是常用的遺傳學實驗材料。

圖1 果蠅的2 對相對性狀

圖2 果蠅的體細胞染色體組成與性染色體

任務1：已知果蠅的灰身和黑身是一對相對性狀，現有2 管自交純系的黑身和灰身果蠅若干，請設計實驗方案，以確定控制果蠅體色的基因位置。

思路點撥：果蠅為真核生物，其基因的位置有以下可能：

圖3 果蠅基因的可能位置

問題引領：若控制體色的基因是細胞質基因，可以用什么方法進行驗證?

思路點撥：生物性狀的遺傳，多是通過親本產生配子，由配子結合形成合子（受精卵），合子發育成子代，所以配子是親、子代間的橋梁。真核生物的交配類型有：自交、雜交、自由交配（隨機交配）等。雜交又可包括正交、反交、測交、回交、互交等類型。設計遺傳學實驗，主要是設計特定的交配類型，觀察分析親、子代的表型及比例，通過遺傳家系分析，從親、子代間性狀的傳遞這個“表象”入手，作出假設、進行演繹推理、實驗驗證，最后得出性狀傳遞規律之所以發生的“本質”。

回顧減數分裂和受精作用的過程可知，受精卵中幾乎沒有精子的細胞質成分，所以線粒體基因一般只能隨卵細胞傳給子代。可通過正交和反交實驗，分析子代的表型：若子代性狀的表現都與母本一致，即表現母系遺傳特點，則控制果蠅體色的基因位于線粒體中，否則位于細胞核染色體上。

問題引領：若控制果蠅體色的基因位于Y 染色體上，能否用正、反交的方法進行驗證？

思路點撥：若基因只位于Y 染色體上，則遺傳性狀只會出現于雄性個體，雌性個體無此表型，故無法進行正、反交實驗。種群中會呈現♂→♂→♂的特點，所以通過遺傳家系(種群)層次的性狀分析，較易判定。

問題引領：排除以上2 種情況后，該基因的位置還有哪些可能？僅進行正、反交實驗可否進行區分？

思路點撥：還有3 種可能：基因位于常染色體；僅位于X 染色體；位于X、Y 的同源區段。引導學生從理論上思考，用怎樣的交配組合才可能將它們區分。然后依據學過的遺傳學知識，繪遺傳圖解進行演繹推理，通過對親、子代間性狀遺傳的統計分析，作出判斷和推理，得出科學的結論。

學生活動：先寫出相關的基因型（基因用A、a表示）。若基因位于常染色體上，基因型有AA、Aa、aa；若基因僅位于X 染色體上，基因型有XAXA、XaXa、XAXa、XAY、XaY；若位于X、Y 同源區段上，雌性基因型：XAXA、XAXa、XaXa，雄性基因型：XAYA、XAYa、XaYA、XaYa。再寫出正、反交的遺傳圖解。

思路點撥：若基因僅位于X 染色體上，正、反交子代的表型不同且與性別有關。但若控制性狀的基因位于常染色體上或位于X、Y 的同源區段，正、反交的結果一樣，子代都表現出顯性性狀。

問題引領：如何進一步判斷基因位于常染色體上還是位于X、Y 的同源區段?

學生活動：從子代出發，設計雜交實驗，并繪制遺傳圖解。

如讓各自的子代分別自由交配(隨機交配)，子代都會出現3∶1 的分離比，控制果蠅體色的基因位于常染色體時，子代中雌、雄表型比例相同，都是3∶1；基因位于X、Y 同源區段時，隱性性狀只出現于某種性別：雌性或雄性，從而可以將二者加以鑒別。

引導學生進行規律總結，對正、反交子代的表型作如下分析：

圖4 正、反交思路總結

2.2 伴性遺傳的實驗探究

任務2：若已知果蠅灰身對黑身為顯性性狀，請設計實驗，只通過一代雜交判斷控制體色的基因是位于常染色體上還是位于X 染色體上。

思路點撥：提示學生用假說-演繹法思考，不難想到以下實驗方案（圖5）。

圖5 伴性遺傳的判定圖解

問題引領：若研究的實驗材料是ZW 型性別決定的家蠶，又當如何選擇雜交的親本?雜交子代的性狀表現如何?

通過對基因型的分析易知：用黑身雄性純合體ZbZb和灰身雌性純合體ZBW 雜交即可。讓學生通過遺傳圖解進行驗證，再引導學生進行規律總結。

2.2.1 基因是在常染色體上還是性染色體上的實驗探究 在顯、隱性已知的情況下，可通過具有同型性染色體（XX 或ZZ）的親本選用隱性性狀個體，異型性染色體（XY 或ZW）的親本選用顯性純合個體進行雜交。若子代出現交叉遺傳現象（雌性子代與父本表型相同，雄性子代與母本表型相同），則為伴性遺傳。若子代皆表現為顯性性狀，則為常染色體遺傳。

2.2.2 基因是在X 染色體上還是X、Y 同源區段上的實驗探究 選黑身雌性與純合灰身雄性雜交，觀察分析子代表型。若子代中出現隱性性狀且只出現在雄性中，則基因位于X 染色體上。若子代均為顯性，則基因位于X、Y 同源區段上。

2.3 數據分析法確認基因位置

任務3：家貓的有尾與無尾（由一對等位基因A、a 控制）、眼睛的黃色與藍色（由另一對等位基因B、b 控制）。其中某一對性狀的純合基因型的合子不能完成胚胎發育。現從家貓中選擇多只表型相同的雌貓和多只表型相同的雄貓作親本，雜交所得F1的表型及比例如表1所示，請分析回答：

表1 F1 的表型及比例

1）家貓的上述2 對性狀中，不能完成胚胎發育的性狀是________，基因型是________（只考慮這一對性狀）。

2）控制有尾與無尾性狀的基因位于________染色體上，控制眼色的基因位于__________染色體上。判斷的依據是________________。

問題引領：如何研究多對相對性狀遺傳表現的問題？

思路點撥：對家貓的2 對相對性狀遺傳問題，可進行逐對分析。先考慮有尾與無尾：子代中不論雌、雄，都是無尾∶有尾=2∶1，可判斷無尾是顯性，有尾是隱性，與性別無關，相關基因位于常染色體上。2∶1 的出現應是3∶1 的變式，存在顯性純合（AA）致死現象，故親本基因型為Aa×Aa；后考慮眼色：雄貓中黃眼∶藍眼=1∶1，雌貓中只有黃眼，無藍眼個體出現。說明黃眼是顯性，藍眼為隱性，并且決定眼色的基因位于X 染色體上，故親本基因型為AaXBXb和AaXBY。

2.4 利用非等位基因之間的關系進行基因定位

任務4：實驗室中有一批未交配的純種灰體紫眼和純種黑體紅眼果蠅，每種果蠅雌、雄個體都有。已知：上述2 對相對性狀均屬完全顯性遺傳，性狀的遺傳遵循遺傳的基本定律，灰體和黑體（基因A、a 控制）這對相對性狀由一對位于第Ⅱ號同源染色體上的等位基因控制，所有果蠅都能正常生活。如果控制果蠅紫眼和紅眼的基因（B、b）也位于常染色體上，請設計一套雜交方案，以確定控制紫眼和紅眼的基因是否也位于第Ⅱ號同源染色體上，并對結果進行預期，得出相應的結論。

問題引領：若控制紫眼和紅眼的基因（B、b）位于第Ⅱ號同源染色體上，雜交子代中表型比例如何？若不在第Ⅱ號同源染色體上，雜交子代中表型比例又如何？

思路點撥：位于非同源染色體上的非等位基因的傳遞遵循自由組合定律，而位于同源染色體上的非等位基因的傳遞則遵循連鎖互換定律。并可據此進行基因在染色體上的精確定位。

參考答案：讓純種灰體紫眼果蠅和純種黑體紅眼果蠅交配得子代F1，再讓F1雌、雄果蠅相互交配得F2，觀察并記錄F2的性狀分離比。

預期結果和結論：

1）如果F2出現4 種性狀，其分離比為9∶3∶3∶1（符合基因的自由組合定律），則說明控制紫眼和紅眼的基因不是位于第Ⅱ號同源染色體上。

2）如果F2不出現為9∶3∶3∶1 的分離比（不符合基因的自由組合定律），則說明控制紫眼和紅眼的基因位于第Ⅱ號同源染色體上。

規律總結：通過學生討論合作完成。

2.5 遺傳家系調查——系譜分析法確定基因的位置

問題引領：關于人類基因的定位，是不可以進行雜交實驗的，怎么辦？

在患者家系中調查，畫出遺傳系譜圖，然后進行系譜分析，從而確定性狀的遺傳類型和基因的位置。

任務5：通過遺傳家系調查確定人類單、雙眼皮和有、無酒窩的基因位置，分析下圖對相關基因進行定位。

圖6 遺傳家系調查系譜圖

思路點撥：根據人類遺傳病的傳遞規律分析。

學生活動：課堂討論，確定決定單、雙眼皮，有、無酒窩，白化病，色盲的基因位置。

初步結論：雙眼皮為顯性S__，單眼皮為隱性ss，有酒窩為顯性O__，無酒窩為隱性oo。這2 對等位基因位于2 對常染色體上且自由組合。白化病為常染色體隱性遺傳，色盲為伴X 隱性遺傳。

（待續）