新型實驗材料在遺傳學三大定律驗證實驗教學中使用效果研究

程海濤，曹 萍，王 巖，于翠梅，李春紅，曹秀云

（沈陽農業大學農學院，沈陽110866）

0 引 言

遺傳學是生命科學中重要的學科之一，也是生物類、動植物生產類專業最重要的專業基礎課之一。眾多綜合性大學、師范、醫學、農科大學均開設了這門課程。遺傳學是從孟德爾著名的豌豆雜交實驗開始，逐步建立起來的一門理論與實踐相結合的學科。因此，這門課程的學習是以理論和實驗相結合為特點的，是一門實踐性強的學科。對于遺傳學的學習，在掌握遺傳學原理的同時，也必須理論和實驗相結合，注重實驗教學。遺傳學實驗是培養、訓練學生科學的思維方法、實事求是的科學態度與獨立的科研動手能力的重要環節，對學生能力培養具有重要作用［1-2］。

遺傳學的三大定律是經典遺傳的重要內容，三大定律的驗證是遺傳學實驗教學的重要內容之一，是不可或缺的部分。遺傳學的三個基本規律，即分離規律、自由組合規律和連鎖互換規律，以及在此基礎上擴展出來的基因互作和伴性遺傳等。遺傳學實驗材料和方法都力求簡單、經典，以保證實驗結果與理論結果相吻合［3］。為了幫助學生對三大遺傳規律的理解，傳統實驗內容都是三大定律的驗證實驗，一般采用果蠅雜交后代、玉米雜種后代及紅色面包霉雜種后代分析等內容［4］；對于植物遺傳而言一般采用玉米籽粒性狀（紫色-白色、甜和非甜）來驗證分離規律和自由組合規律，利用糊粉層顏色驗證基因驗證互作規律，利用頂端凹陷與飽滿驗證基因連鎖交換規律［5-6］。

針對農科院校偏植物類型普通遺傳學課程的遺傳實驗教學中遺傳規律驗證實驗，利用新型玉米果穗材料（由原沈陽大學趙文耀老師提供），完成遺傳三大定律的驗證。新型的實驗材料選擇玉米第4 染色體上甜質胚乳基因su1、第9 染色體上粒色基因c1和糯質胚乳基因wx，其中su1與c1、wx獨立，c1與wx連鎖，su1對c1存在隱性上性作用，選育出C1C1WxWxSu1Su1品系和c1c1wxwxsu1su1品系，經兩者雜交、后代自交獲得F2代果穗，利用這一個果穗可同時驗證分離規律（3∶1）、自由組合規律（9∶3∶3∶1）隱性上位關系（9∶3∶4）和基因連鎖與交換規律（計算交換值）［7］。

這個新型實驗材料的使用對提升經典遺傳學實驗教學效果具有重要作用，但這個材料還沒有得到廣泛的應用，本研究將利用這一新型材料開展其應用效果的研究，通過對學生實驗結果的統計分析，檢驗各個性狀的可識別性、性狀分離的穩定性，明確實驗材料的可用性。本研究結果將進一步分析新型玉米果穗材料在驗證經典遺傳規律的實驗中的可用性和良好的教學效果，為新型材料的推廣應用提供理論依據。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

涉及獨立遺傳、隱性上位性遺傳和連鎖遺傳的相引相雜交組合F2自交果穗20 個（由原沈陽大學趙文耀老師提供），對各個果穗進行編號A1-A20。

1.2 數據采集

選擇3 個專業6 個自然班，每班授課時2 人1 組，每組1 個自交果穗，2 人分別對自交果穗的各性狀籽粒進行計數，記錄2 人計數的平均值。然后按照獨立分配規律性狀分離比例（9 紫非甜∶3紫甜∶3白非甜∶1白甜）和隱性上位規律分離比例（非糯9∶糯3∶甜4）進行χ2值計算，判斷調查結果是否符合理論分離比例；根據籽?？倲担ú话ㄌ穑┖碗p隱性個體數（白糯）計算交換值。學生整理實驗結果完成實驗報告，課后隨機抽取了90 份實驗報告對不同班級和不同人的實驗結果進行記錄然后進行統計分析。最后選取單個果穗使用次數大于2 次果穗16 個，涉及的實驗報告84 份，用Excel 2007 進行實驗結果的統計分析。

2 結果分析

2.1 三對性狀的遺傳基礎解析

新型實驗材料利用玉米甜質胚乳基因Su1-su1位于第4 對染色體66 位點，籽粒的粒色基因C1-c1位于第9 對染色體26 位點，糯質胚乳基因Wx-wx位于56位點（見圖1）［5-6］。驗證實驗中利用su1與c1位于不同染色體兩者獨立來驗證自由組合規律，F2代籽粒性狀呈現紫非甜（CCSuSu）∶紫甜（C＿susu）∶白非甜（ccSu＿）∶白甜（ccsusu）＝9∶3∶3∶1分離。利用su1與wx兩者相互獨立，同時su1對wx具有隱性上位作用，（當su1隱性純合時對糯質基因具有掩蓋作用，使其不表現非糯-糯，而只出現甜表型）可以驗證獨立基因的互作效應——隱性上位作用，其F2代籽粒呈現9 非糯SuSuWxWx∶3糯Su＿wxwx∶3甜susuWx＿∶1甜susuwxwx＝9∶3∶4的分離。值得注意的是由于隱性上位的存在，籽粒中susuWx＿和susuwxwx基因型都表現甜表型，而不表現非糯和糯，使得實際表型數與實際基因型數不等。但糯基因與甜基因獨立，根據自由組合定律非糯與糯表現型中都有1/4 表現甜，3/4 表現非甜，所以果穗中非糯與糯的比例仍然是3∶1，同樣的道理在利用自交法計算交換值時雙隱性基因中3/4 表現白糯非甜，群體總數中也有3/4 表現非甜，所以F2群體中雙隱性個體頻率不變，要強調的是，此處群體總數為不包括甜籽粒的所有籽粒數。因此，雖然本研究玉米果穗籽粒性狀表型值與基因型數不能完全對應，但理論比例不變，所以可以應用本材料進行三大遺傳規律的驗證實驗。

2.2 不同果穗各性狀籽粒觀察值

圖1 新型材料的基因關系與材料形成示意圖

實驗所用果穗涉及3 對基因，由于存在隱性上位性互作，所以一個果穗上呈現出6 種表現型籽粒，分別為：紫甜、白甜、紫非糯、紫糯、白非糯、白糯。統計分析84 份實驗報告、16 個玉米果穗各性狀籽粒數目，見圖2。由圖2 可知，16 個果穗總粒數存在差異，總粒數302.25 ～477.20，平均數為405.33，標準差為58.67，變異系數0.16。總體看來群體數較大適用于遺傳規律驗證分析，不同果穗的標準差和變異系數不大，說明果穗相對整齊，有利于減小實驗過程中的系統誤差。從一個果穗不同性狀籽粒數目分布來看，同一果穗各性狀籽粒數所占比例有符合各自分離比例的趨勢，不同果穗相同性狀籽粒所占比例存在一定差異，這符合驗證試驗中存在系統隨機誤差的現象。

圖2 不同果穗各性狀觀測值統計

2.3 不同籽粒性狀觀察值差異分析

驗證實驗中自由組合規律需要調查紫非甜（紫糯+紫非糯）、紫甜、白非甜（白糯+白非糯）、白甜4 個性狀籽粒數，隱性上位作用需要調查非糯（紫非糯+白非糯）、糯（紫糯+白糯）和甜（紫甜+白甜）3 個性狀籽粒數；計算交換值需要調查白糯（雙隱性）和群體總數（白糯+白非糯+紫糯+紫非糯）2 個性狀值。從實驗結果來看，同一果穗同一性狀不同人的調查結果存在差異，這種差異一是由于籽粒排列不規則容易漏計和重復計數產生的誤差，另外也是由于性狀不容易識別造成的性狀識別錯誤產生的差異，為了確定這種差異對實驗結果的影響，統計了16 個果穗不同規律各性狀籽粒不同人的觀察值，計算了同一個果穗觀察值的標準差和變異系數，最后統計16 個果穗每個性狀觀察值的標準差和變異系數的平均值和變化區間，整理于表1。

表1 果穗不同觀察值的差異程度分析

由表1 可見，自由組合規律中紫非甜、紫甜、白非甜、白甜及總粒數5 個性狀觀察值的標準差平均數分別為7.70、3.64、3.08、1.84 和10.85，其中總粒數的標準差較大，其他性狀標準差均小于10，5 個性狀觀察值的變異系數的平均值為0. 04、0. 05、0. 04、0. 07 和0.03，除白非甜變異系數為0.07 外，其他平均值均小于等于0.05?？梢姼餍誀畹挠^察值存在差異較小，總粒數觀察值差異偏大，可能是由于總粒數由各個性狀累加得出的，也造成每個性狀誤差累加的結果。隱性上位規律中非糯、糯、甜及總粒數標準差平均值分別為，11. 88、5. 45、4. 78 和13. 73，變異系數平均值為0.06、0.08、0.05 和0.04，總體來看隱性上位性各性狀中，各觀察值間的差異較獨立分配規律略高，非糯和總粒數的標準差都超過10，非糯、糯的變異系數大于0.05，同樣也是總粒數標準差較大，糯性狀變異系數最大，達到0.08。連鎖遺傳規律中各性狀的標準差和變異系數的變化與前兩者類似，差異較前兩者大，紫非糯和總粒數的標準差分別是12.36 和14.48，紫非糯和白糯的變異系數為0.07 和0.09。

綜合上述分析結果，不同觀察者對同一果穗的調查結果存在一定差異，總體看來差異并不明顯，比較不同性狀統計參數，發現涉及糯的性狀的調查結果差異較大，這可能與糯、非糯性狀識別難度較其他性狀大有關。有色和無色、甜和非甜性狀差異明顯容易識別，糯和非糯相對性狀差異不像其他性狀那么直觀，如果學生對性狀判別標準掌握不準確，容易造成計數不準，產生較大誤差，但從分析結果來看，雖然與糯有關性狀調查結果差異較其他性狀大一些，但變異系數均小于0.1，總體差異不大。可見，絕大多數學生能準確掌握性狀識別標準，調查結果差異總體偏小，對實驗結果影響不大。

2.4 不同果穗χ2值和交換值差異分析

比較不同果穗2 個規律驗證的χ2值和連鎖交換規律的交換值的計算結果，見表2。

表2 不同果穗χ2值和交換值計算結果

根據χ2檢測原理，當自由組合規律驗證實驗計算的χ2值＜7.82 時，說明觀察值分離比例符合理論分離比例，由表2 可知，16 個果穗自由組合規律驗證的χ2值最小值為0.38，最大值為8.35，平均值3.22。16 個果穗中只有A10 果穗χ2值計算結果為8.35，顯示觀察值分離比例與理論分離比例不符合，其他結果均符合理論分離比例。根據χ2值測驗原理，隱性上位性檢測中計算的χ2值＜5.99 時，觀察值分離比例與理論分離比例相符合。由表3 可見，16 個果穗隱性上位性規律計算的χ2值為0.69 ～5.34，平均值為2.67，所有果穗的χ2值均小于5.99，說明所有果穗的觀察值分離比例都符合理論的分離比例。不同果穗計算的χ2值存在一定差異，這些差異除了計數時產生的誤差外，絕大多數是由于不同果穗中基因分離和組合時產生的隨機誤差，從16 個果穗的分離比例的符合程度來看，只有1 個果穗的1 個規律觀察值分離比例與理論分離比例不相符，可見，實驗材料果穗實測分離比例與理論分離比例符合度很高，實驗材料適合應用于2 個遺傳規律的驗證。

16 個果穗的交換值為13.27 ～37.53，標準差為0.49 ～11.38，變異系數為0.04 ～0.38，果穗間差異較大。就單個果穗而言，由于群體相對較小，染色體交換值受群體大小，個體生長環境影響較大，所以單個果穗的交換值往往有較大的差異。從16 個果穗交換值的平均數（25.39）來看，交換值平均值與粒色基因和糯質基因的理論遺傳距離很接近（30 cm），標準差和變異系數的平均數為3.36 和0.13，平均值也比較小。綜合16 個果穗的分析結果，在群體較大的情況下交換值實測值與理論值接近，說明群體越大觀測交換值越接近實際交換值，本研究中交換值計算結果基本符合c1-wx基因的連鎖分離規律，驗證結果準確。

2.5 新型果穗實驗材料使用效果調查問卷分析

為了深入了解新型果穗材料使用時學生的感受和使用效果，設計了一組調查問卷，實驗結束后要求學生填寫，共收回有效問卷64 份，統計結果見表3。調查問卷共7 個問題，涉及性狀識別和使用感受。在紫色和白色性狀識別難易程度調查中，選擇A 很容易識別的占75%，B比較容易識別的占23.4%，C 不容易識別的占1.6%，D很難識別的為0%；甜和非甜性狀識別難易程度調查結果為：A很容易識別的占73.4%，B比較容易識別的占26.6%，C不容易識別和D很難識別的為0%。由調查結果可見，學生認為這兩對性狀差異明顯，容易識別。在糯和非糯問卷結果中，選擇A很容易識別的占15. 6%，B 比較容易識別的占45.3%，C 不容易識別的占37.5%，D 很難識別的為1.6%，問卷結果說明糯和非糯性狀識別存在一定難度，認為容易識別的只有15.6%，比例顯著低于前2個性狀，認為不容易識別的占了37.5%，比例顯著高于前兩個性狀。雖然性狀識別存在難度，但可以看出認為容易和比較容易識別的占到60.9%，認為很難識別的只有1.6%，可見如果能夠掌握性狀識別要領，絕大多數人都能夠準確識別糯和非糯2 個性狀。在對“使用新型實驗材料對你對三大遺傳定律的理解”的問卷中，認為有很大幫助的占35.9%，認為有一定幫助的占59.4%，認為沒有幫助的占4.7%，在“使用新型實驗材料后你對遺傳規律的獨立性和統一性的理解”的問卷中有深刻理解的占18.8%，加深了理解的占78.1%，沒有作用的占3.1%，這兩個問卷結果說明使用新型的實驗材料對學生理解遺傳三大定律和遺傳規律的獨立性、統一性有所幫助，提升了教學效果。在調查結果中，認為“三個規律一個果穗”好的有68.8%，認為“三個規律三個果穗”好的有17.2%，認為“無所謂”的有14.1%，認為使用新型遺傳實驗材料能夠增加學生對遺傳學課程興趣的占79.7%，不能的占6.3%，沒感覺的為14.1%，這兩項結果說明，新型果穗材料能夠被絕大多數學生接受，并能激發學生對遺傳學課程的興趣。

表3 實驗材料使用效果調查問卷統計結果

3 討論

傳統的遺傳三大定律的驗證實驗，一般采用果蠅雜交后代、玉米雜種后代及紅色面包霉雜種后代分析等內容［8-9］。也有人探討使用一些新的實驗材料，比如在動物遺傳學中，韓君林［10］利用烏骨雞與普通草雞相對性狀較多的特點，探討利用烏骨雞與普通草雞雜交來驗證非等位基因的自由組合規律。龐有志等［11］利用鵪鶉Z染色體上兩個有連鎖關系的基因座Bb和Yy相互作用控制的栗羽、黃羽和白羽性狀，設計實驗驗證羽色的伴性遺傳以及連鎖遺傳規律。在植物遺傳中，吳翠霞［12］根據水稻芽鞘紫線表現時期早、由單基因控制的顯性性狀的特點，提出利用芽鞘紫線來進行遺傳分離規律的實驗教學的構思，試驗證明其可行性明顯。

遺傳規律驗證實驗材料眾多形式多樣，實驗方法成熟，但從實際應用情況來看存在如下幾個問題［13-15］：①經典遺傳學實驗內容和學時數不斷減少。隨著現代遺傳學發展，分子遺傳學教學內容在遺傳學教學中日益增多，實驗內容也不斷增加，致使經典遺傳學的實驗內容在不斷被壓縮，學時也一再減少。因而在學時減少的情況下盡量完成更多的實驗內容、保證教學效果成為遺傳學實驗教學普遍面臨的問題。②實驗材料單一。無論動物和植物的三大規律驗證都有許多可以采用的材料，但在實際使用中動物仍多采用果蠅為試材，植物仍多采用玉米果穗材料。而一些新型的材料一般也都具有理論和應用的可行性，但多因為突變類型少，或是不易于培養保存，或是雜交繁殖系數低等原因未能得到廣泛應用。③ 驗證實驗多為單個規律設計，不能突出生物遺傳的統一性。不同的遺傳規律存在于同一生物體內，各個規律相互獨立又相互影響，每個性狀在體現一個規律的同時也伴隨著其他遺傳規律的發生，所以性狀遺傳有著獨立性和統一性。目前，實驗設計多是1 個雜交組合驗證1 ～2 個遺傳規律，所以在設計多個規律驗證的實驗中一般采用2 ～3 個雜交組合，甚至更多，這不僅增加了實驗準備和操作的繁瑣性，實驗也需要更多的學時才能完成。更重要的是單規律的這種實驗設計，把一個生物體內的多個遺傳規律分別展示，容易使學生感到多個遺傳規律是相互孤立的，沒有體現遺傳的統一性。

針對上述問題，本研究使用新型玉米果穗實驗材料，該材料選擇玉米第4 對染色體上甜質胚乳基因su1、第9 對染色體上粒色基因c1和糯質胚乳基因wx，涉及甜-非甜，有色-無色，非糯-糯3 對相對性狀，遺傳規律包括自由組合規律、隱性上位規律、連鎖交換規律，將多個遺傳規律融合在1 個玉米果穗上，利用這一新型材料開展其應用效果的研究，通過對學生實驗結果的統計分析，檢驗各個性狀的可識別性、性狀分離的穩定性，明確實驗材料的可用性。通過調查問卷了解學生使用新型實驗材料后對遺傳規律的理解程度，明確新型實驗材料的使用效果。研究結果表明：果穗總粒數在302.25 ～477.20，平均數為405.33，標準差為58.67，群體數較大適用于遺傳規律驗證分析，果穗相對整齊，有利于減小實驗過程中的系統誤差。同一性狀的不同觀察值之間存在一定差異，其中，有色-無色、非甜-甜性狀組合變異幅度相對較小，與非糯-糯有關的性狀組合變異幅度相對較大，這可能與非糯-糯相對性狀識別難度相對較大有關，觀察值之間的差異包括計數誤差和識別錯誤誤差，但絕大多數變異系數小于0.05，說明性狀的可識別性較高，適合作為遺傳規律驗證的實驗材料。比較了16 個果穗自由組合規律和隱性上位規律的符合度檢測的χ2值，不同果穗的χ2值有較大的變異（0.38 ～8.35，0.69 ～5.34），但16 個果穗、2 個規律共32 次檢測結果中只有1 個規律1 次檢驗結果顯示觀察值分離比率與理論比例不符，其他檢測結果均符合理論分離比例，果穗間的差異是由于不同果穗中基因分離和組合時產生的隨機誤差造成的，說明果穗籽粒性狀分離比較穩定和準確，適合作為實驗材料用于自由組合、隱性上位遺傳規律驗證。16 個果穗的c-wx間的交換值為13.27 ～37.53，平均值為25.39。有研究表明交換值受材料遺傳背景、群體大小、測定方法、個體生長發育影響較大，早期研究結果認為c1和wx染色體基因位點為26 cM 和59 cM［16］，后來研究結果顯示c1和wx染色體基因位點分別為26 cM和56 cM［5-6］，兩基因間的遺傳距離為之間多個基因間距離的累加，兩基因間實際交換值理論上小于遺傳圖上的遺傳距離（35%或30%）。本文中交換值的平均值為25.39%，小于圖上距離，符合遺傳規律。單個果穗的群體相對較小，所以果穗間交換值往往存在差異，本研究結果中16 個果穗交換值平均標準差為3.36，平均變異系數為0.13，果穗間差異不大，屬于遺傳交換值計算的隨機誤差。新材料使用效果的調查問卷結果顯示，有色-無色、非甜-甜相對性狀容易識別，非糯-糯相對性狀識別有一定難度，但掌握識別要領可以做到準確識別，對實驗結果不會產生大的影響；使用新型實驗材料對學生理解遺傳定律，理解遺傳規律的獨立性和統一性有很好的幫助，近70%的同學認為新型的實驗材料更好，并且能夠增加他們對遺傳學課程的興趣。新型實驗材料有更好的教學效果。

4 結 語

對新型實驗材料的研究結果表明新型玉米果穗材料在驗證經典遺傳規律的實驗中可用性強、教學效果良好。新型實驗材料將多個遺傳規律融合在一個玉米果穗上，利用一次雜交、自交獲得可以驗證多個遺傳規律的實驗材料，減少了使用果穗的數量、簡化了材料獲得過程，也減少了學生操作實驗的時間。這個新型材料的使用將會緩解經典遺傳學實驗學時減少情況下展示更多實驗內容的矛盾；多個遺傳規律融合在一個玉米果穗上，使學生充分理解各個遺傳規律的現象和本質的同時深刻理解遺傳規律的多樣性和統一性，更加深刻地體會到遺傳學的本質。

致謝：本研究新型玉米果穗材料由原沈陽大學生物與環境學院趙文耀教授提供，在研究過程中趙文耀教授給予了多次的理論和實踐指導，在此對趙文耀教授表示誠摯的謝意！