如何利用染色體變異進行基因定位

山東

基因定位是指將基因定位于具體染色體或染色體的某些區域，是遺傳學研究的一項基本工作。最早在1911 年，E.B.Wilson 首次將人紅綠色盲基因定位到X 染色體上。高考試題常考查遺傳方式，包括顯、隱性的確定及基因在染色體上的定位等。本文就利用染色體變異進行基因定位的原理、實例以及基于這些實例的試題進行分析，以期開拓視野，拓展思路，幫助學生突破高考遺傳題這個難點。

人教版教材對基因定位問題的討論始于摩爾根的果蠅實驗。早在1910 年之前，就有許多生物學家推測基因位于染色體上，但是缺乏確鑿的證據。直到摩爾根發現白眼雄蠅后，利用這只雄蠅和紅眼雌蠅進行雜交實驗，子一代全為紅眼果蠅。子一代果蠅相互交配，子二代所有的雌蠅為紅眼，雄蠅中一半為紅眼，一半為白眼，這種現象提示了控制果蠅眼色的基因可能位于性染色體上。更具說服力的實驗是將白眼雌蠅和紅眼雄蠅雜交，子一代紅眼全為雌蠅，白眼全為雄蠅。在這個實驗中，親本雌蠅的白眼基因伴隨X 染色體傳給了子代雄蠅，親本雄蠅的紅眼基因伴隨著X 染色體傳給了子代雌蠅。在以后的幾年里，摩爾根的學生利用基因重組的概率計算出了基因在染色體上的相對位置，繪制出世界上第一張遺傳圖。20 世紀70 年代后，隨著基因定位技術的進步，如體細胞雜交、DNA 分子雜交和PCR 等技術的出現和應用，使得基因定位的研究速度明顯加快。人類基因組計劃的實施和完成，更加促進了基因定位研究的進程。

體細胞雜交定位、單體和三體定位、染色體缺失定位及突變基因的檢出，與高中生物教材聯系密切，為遺傳試題的命制提供了很好的素材。下面的例題是筆者根據這些材料曾命制的原創試題，希望可以給廣大教師一些參考。

一、利用體細胞雜交技術進行基因定位

20 世紀60 年代初，隨著細胞融合技術的成熟，科學家發現在融合細胞內存在染色體丟失的現象。HAT 是一種選擇性培養基，在這個培養基上，缺少胸腺核苷激酶（TK）或次黃嘌呤磷酸核糖轉移酶（HPRT）的細胞不能存活。用滅活病毒或聚乙二醇將缺少胸腺核苷激酶的人類細胞（TK-）和缺少次黃嘌呤磷酸核糖轉移酶（HPRT-）的小鼠細胞融合后，用HAT 培養基篩選出雜種細胞。在雜種細胞中，小鼠細胞能產生TK，人類細胞能產生HPRT，互補了缺陷，因此該雜種細胞在HAT 培養基中能存活，其他細胞則死亡。雜種細胞在分裂過程中，人類的染色體會隨機丟失，小鼠的染色體則全部保留下來。經過幾次分裂后，待雜種細胞穩定下來時，細胞內保留了一條或幾條人類染色體。雖然目前還不清楚人類染色體丟失的機制，但留存下來的染色體可用于基因定位。

【例1】（2016 年命制，用于天津五區縣二模，節選）隨著“人-鼠”雜種細胞的分裂，細胞中來自人的染色體會隨機丟失，在最終穩定時，雜種細胞只保留了一條或幾條人的染色體。利用此特性，可將某些基因定位于特定的染色體上。基因T 控制合成的酶能利用胸腺脫氧核苷，基因H 控制合成的酶能利用次黃嘌呤。不能同時利用這兩類物質的細胞不能成活。將基因型為ttHH 的人細胞和基因型為TThh 的鼠細胞，置于添加有胸腺脫氧核苷和次黃嘌呤的HAT 培養基中，誘導細胞融合。

（3）鏡檢分析HAT 培養基中處于分裂中期的雜種細胞，發現細胞內殘留的人染色體如表1：

表1

①分析表1 中數據，可將基因____定位于________染色體上，依據是_____________。

②若將另一對等位基因也定位在人染色體上，理論上，可選擇基因型分別為___________的人、鼠細胞進行融合。

【解析】（3）①根據題目信息得知，能在HAT 培養基上存活的細胞應同時含有T 和H 基因。人細胞的基因型為ttHH，鼠細胞的基因型為TThh，初始時“人-鼠”雜種細胞的基因型為TTttHHhh，在HAT 培養基上能存活。在殘留的4 種人染色體雜種細胞中，均含有第17 號染色體，且雜種細胞2 中只有第17 號染色體也能存活，說明H 基因位于第17 號染色體上。②理論上，若定位人染色體上的T 基因，人染色體上需要T 基因純合（TT），另一對基因隱性純合（hh），小鼠的基因型與人細胞的基因型互補即可。

【答案】（3）①H 17 存活細胞內均含人第17（17 號）染色體 ②TThh、ttHH

二、利用單體和三體進行基因定位

單體（2n-1）比正常細胞（2n）少了一條染色體，三體（2n+1）比正常細胞多出了一條染色體。有時，某些生物的單體和三體均能存活并可育。如曼陀羅（2n=24）有12 對同源染色體，人們發現了該植物的12 種三體，與正常曼陀羅相比，這12 種三體曼陀羅的每種單體各多出了一條不同的染色體，其碩果的大小和形狀各不相同。煙草（2n=48）普遍存在三體，為此我國科研人員曾建立了煙草的三體系和單體系。果蠅的Ⅳ號染色體短小，其上只有很少基因，因此果蠅Ⅳ號染色體的單體或三體可以存活。在人類中，最著名的三體病為唐氏綜合征，最早由英國醫生Langdon Down 于1866 年發現，引發該病癥的原因為21 號染色體為三體，患者核型為47，XX 或47，XY。人因13 號和18 號染色體為三體而患病的情況也有報道，但相當少見，原因是患者極易夭折。

【例2】（2016 年命制，用于淄博市一模，節選）某嚴格自花傳粉的二倍體植物（2n），野生型為紅花，突變型為白花。研究人員圍繞著花色性狀的顯隱性關系及花色控制基因在染色體上的定位，進行了以下相關實驗。請分析回答：

（3）單體（2n-1）可用于基因的染色體定位。人工構建該種植物的單體系（紅花）應有______種單體。若白花由一對隱性突變基因控制，將白花突變植株與該種植物單體系中的全部單體分別雜交，留種并單獨種植。假定配子全部可育，各基因型全部成活，當子代出現表現型及比例為____________時，可將白花突變基因定位于_______________。

（4）三體（2n+1）也可用于基因的染色體定位。若白花由一對隱性突變基因控制，將白花突變植株與三體系（紅花純合）中全部三體分別雜交，留種并單獨種植。假定配子全部可育，各基因型全部成活，當子二代的表現型及比例為__________________時，可將白花突變基因定位。

【解析】（3）單體（2n-1）是一對同源染色體缺少一條染色體，本植物染色體數為2n，有n 對同源染色體，因此該種植物的單體系應包括n 種單體。設紅花和白花的控制基因分別為A、a，則單體系中只有一種紅花單體基因型為A0，其他單體的基因型為AA。A0 和白花（aa）雜交，子代為Aa（紅花）∶0a（白花）=1∶1，AA 和白花（aa）雜交，子代全為紅花。這樣便可將A 基因定于“0”染色體上，即單體所缺染色體上。（4）三體純合紅花的基因型為AAA，白花的基因型為aa，F1的基因型為1/2Aa、1/2AAa。F1自交時：1/2Aa 紅花自交，F2中白花（aa）的比例為1/2×1/4aa=1/8；AAa 產生的配子及比例為1/6AA、1/6a、1/3A、1/3Aa，1/2AAa 自交所得的F2中白花（aa）的比例為1/2×1/6a×1/6a=1/72。因此，F2中白花植株所占比例為1/8+1/72=5/36，紅花植株所占比例為1-5/36=31/36。因此，F2的表現型及比例為紅花植株∶白花植株=31∶5。

【答案】（3）n 紅花植株∶白花植株=1∶1該單體所缺少的染色體 （4）紅花植株∶白花植株=31∶5

三、利用染色體缺失進行基因定位

染色體缺失是指染色體斷裂后丟失了部分片段。一條染色體的片段缺失后，會造成另一條同源染色體對應區域上的隱性基因表現出相應性狀，引起表現型的改變，這種現象稱為“假顯性”。當缺失的片段足夠大時，在對缺失染色體進行細胞學鑒定時，可在顯微鏡下觀察到聯會的一對同源染色體上，一條凸起了“環”，凸起環的染色體為正常染色體，另一條染色體發生了中間缺失（需要說明的是，染色體重復也會出現類似的“環”，若要區分二者，需要與正常染色體做比對）。

玉米的紫莖對綠莖為顯性，墨克林托克（McClintock）用X 射線處理純合紫莖玉米,并將這些玉米與綠莖玉米雜交，子代得到732 株紫莖玉米和2 株綠莖玉米。起初他懷疑是基因突變造成的，但在對2 株綠莖玉米進行細胞學檢測時發現，第6 號染色體的臂端缺少了一段，從而確定是X 射線造成了玉米的染色體缺失，同時也將控制紫莖和綠莖的基因定位于第6 號染色體的臂端。

動物中，利用染色體缺失進行基因定位的典型例子是定位果蠅X 染色體上的fa（小糙眼）基因。用人工方法處理野生型黑腹果蠅的雄蠅（FaY），使其X 染色體上的不同區段發生斷裂，重新連接得到了13 種缺失類型的雄蠅，它們的染色體缺失部位如圖1（深色區為染色體缺失部位）。將1～13 號缺體雄蠅分別與小糙眼雌蠅（fafa）雜交，在子代雌蠅中，帶有3～13 缺失染色體的果蠅表現為小糙眼，出現“假顯性”，表明Fa/fa 基因位于3～13 的共同缺失區。

圖1

【例3】（2015 年命制，用于GETS 山東名校聯盟）玉米株色的紫色（A）對綠色（a）為顯性，該對基因位于第6 號染色體上。經X 射線照射的紫株玉米的花粉授給綠株玉米，F1中出現1% 的綠株。F1紫株和綠株的第6 號染色體的檢測結果如圖2 所示。相關敘述正確的是 （ ）

圖2

A.親本中紫株的基因型為Aa，綠株的基因型為aa

B.F1紫株和綠株雜交，F2有4 種基因型，2 種表現型

C.F1紫株的基因型為Aa，F1綠株的基因型為aa

D.X 射線照射紫株花粉后，1% 的花粉發生了基因突變

【解析】由于F1中只有1%的綠株，頻率很低，因此綠株的出現不是雜交的結果，而是變異的結果，由此確定親本中紫株基因型為AA，綠株基因型為aa，A 選項錯誤；比較F1綠株和紫株的染色體發現，F1綠株中有一條染色體發生了缺失，因此F1綠株的基因型為0a，發生缺失的染色體來自紫株親本，C、D 選項錯誤；F1紫株（Aa）和綠株（0a）雜交，后代的基因型為A0、Aa、a0、aa 4 種基因型，2 種表現型，B 選項正確。

【答案】B

【例4】（2017 年命制，用于天津五區縣二模）人工處理果蠅，篩選得到一條X 染色體正常且帶有小糙眼基因、另一條X 染色體發生部分片段缺失的5 類雌蠅，X 染色體上的缺失片段及相應的眼型性狀如表2。下列對這5 類果蠅的分析，正確的是 （ ）

表2

A.X 染色體片段的缺失導致基因突變

B.眼型中小糙眼對正常眼是顯性性狀

C.在X 染色體的③區有控制眼型基因

D.在X 染色體的①區有控制眼型基因

【解析】假設相關基因用A/a 表示。正常X 染色體（沒有缺失）上有小糙眼基因，但5 類雌蠅不全為小糙眼（有正常眼和小糙眼），說明小糙眼基因為隱性基因（a），正常眼為顯性性狀，由A 基因控制。“另一條X 染色體”在未發生缺失前是帶有正常眼基因（A）的，這條X 染色體在發生缺失時有兩種情況：有的缺失了帶A 的染色體片段，這類果蠅的基因型為a0，表現為小糙眼；有的缺失片段上不帶有A 基因，此類果蠅的基因型為Aa，表現型為正常眼。從表2 中看出，缺失“③④”和“②③”片段時表現為小糙眼，因此控制眼型的基因（A/a）應位于③區。

【答案】C

四、利用染色體倒位定位隱性突變基因

染色體斷裂后，反轉180°，倒接在染色體上稱為倒位。在果蠅的第Ⅱ號染色體上有兩個顯性突變基因Cy（Curly wings，翻翅）和Pm（Plum eyes，梅紅色眼），每個基因都具有純合致死效應，因此，人工構建的果蠅第Ⅱ平衡染色體的基因型為Cy___pm/cy___Pm（“___”代表染色體，下同）。在果蠅的第Ⅲ號染色體上有Tb（肥胖體）基因和Sb（短剛毛）基因，每個基因顯性純合時果蠅致死，人工構建的第Ⅲ平衡染色體為Tb___sb/tb___Sb。上述平衡染色體均可穩定遺傳，即后代果蠅全部具有平衡染色體，因為后代中Cy pm/Cy___pm、cy___Pm/cy___Pm、Tb___sb/Tb___sb、tb___Sb/tb___Sb果蠅致死。在人工構建的果蠅第Ⅱ、Ⅲ平衡染色體中，均有一條染色體在兩基因間的區段發生了倒位。在倒位區段，同源染色體不能聯會，不能交叉互換，從而抑制了這個區段的基因重組，有利于突變基因的檢出。

【例5】（2016 年命制，用于淄博市二模，節選）（3）人工構建的第Ⅱ平衡染色體果蠅中，兩條第Ⅱ染色體上的基因如圖3 所示，兩染色體間不發生交叉互換。基因A、B為顯性純合致死基因（含有AA 或BB 時果蠅致死）。

圖3

①具有第Ⅱ平衡染色體的果蠅交配，后代中的第Ⅱ染色體仍為平衡染色體，原因是_______________________。

②將具有某隱性突變性狀的突變型果蠅（由常染色體上的一對隱性基因控制且無圖3 中的顯性致死基因）與第Ⅱ平衡染色體野生型果蠅雜交，F1均為野生型。讓F1雌雄果蠅交配得F2，若該隱性突變基因位于第Ⅱ染色體上，則F2表現型及比例為______，否則，F2表現型及比例為____________。

【答案】（3）①基因型為AAbb 或aaBB 的果蠅致死，只有AaBb 的果蠅存活 ②野生型∶突變型=5∶2

野生型∶突變型=3∶1

五、并連X染色體檢出X染色體上的基因突變

并連X 染色體由摩爾根的妻子于1922 年發現，它由兩條X 染色體融合而成，兩條X 染色體共用一個近端著絲點。一般情況下，發生在雄果蠅X 染色體上的隱性突變不易保留，原因是這條X 染色體傳給了子代的雌性個體，在表現型上，會被來自雌性的另一條X 染色體“覆蓋”，并在傳遞時“逸散”在眾多的后代中，不易尋找。但并連X 染色體果蠅可以解決這個問題。

【例6】（2015 年命制，用于GETS 競賽，節選）有極少數果蠅的兩條X 染色體并連，記作“X∧X”，并連后的X 染色體在細胞分裂過程中不分開。X∧XY 的果蠅為雌蠅，染色體為X∧XX 及YY 的果蠅致死。

圖4

（2）一只并連雌蠅（X∧XY）和一只正常雄蠅雜交，子一代中雌、雄蠅的染色體組成分別為_______，子代雄蠅的X 染色體來自親代的______（填“雄蠅”或“雌蠅”）。

（3）利用上述親本在實驗室中連續繁殖交配，可“偵查”發生在X 染色體上的基因突變。通過重點觀察該果蠅種群內_______（填“雌”或“雄”）蠅的表型變化，可檢出發生在X 染色體上________區的顯性突變和______區的隱性突變。

【答案】（2）X∧XY、XY 雄 （3）雄Ⅰ、Ⅱ Ⅱ

從研究的角度講，在某種意義上變異比遺傳更重要，沒有了變異就談不上遺傳，因此高校教材更重視變異。基因突變、基因重組和染色體變異為遺傳命題提供了豐富的命題素材，在遺傳部分專題訓練時，適當引入染色體變異類型的題目，有利于培養學生的分析能力，提高科學思維品質和遺傳學素養。