例談建模在快速解答遺傳大題中的應(yīng)用

浙江 嚴(yán)開銀 胡國英

1.引言

從表1 中可得知，從2015 年10 月到2020 年7 月，浙江省七選三高考改革已開展五年，已進(jìn)行了10 次選考考試，其中遺傳大題從最開始的第31 題7 分，調(diào)整為如今的第28 題9 分，由此說明遺傳學(xué)內(nèi)容在評價(jià)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)上有重要作用。同時(shí)，筆者經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)在近5 年浙江省10 次高中生物學(xué)選考中，遺傳學(xué)知識考查相對分布在表1 中的5 點(diǎn)上，即①判斷相對性狀的顯隱性；②判斷基因所在的染色體；③確定相關(guān)個(gè)體的基因型；④計(jì)算子代中相關(guān)基因型或表現(xiàn)型的比例；⑤遺傳圖解繪制。并且，通過對每次生物學(xué)選考遺傳大題研究，筆者還發(fā)現(xiàn)以上5 個(gè)知識點(diǎn)通常會(huì)按一定順序呈現(xiàn)在各小題中，這說明遺傳大題各小題的解答有邏輯可循，有遞進(jìn)關(guān)系。

表1

續(xù)表

考試是一種在限定時(shí)間內(nèi)對教學(xué)效果進(jìn)行評價(jià)的方式，在生物學(xué)選考考試過程中，學(xué)生解答遺傳大題的時(shí)間一般僅有10 分鐘。這要求學(xué)生在解答過程中要思路清晰，能快速從題干中提取有效信息并正確書寫。這在一定程度上是對學(xué)生高層次科學(xué)思維能力的考查與分層。因此，教師將遺傳大題解答訓(xùn)練作為一個(gè)復(fù)習(xí)專題是有價(jià)值的。本文研究目的是通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行建模，找出表現(xiàn)型比例與“顯隱性相對性狀、基因所在染色體、相關(guān)個(gè)體基因型判定”之間的關(guān)系，提高科學(xué)思維能力。在解答問題過程中，學(xué)生通過建模方式透過表面看本質(zhì)，“看見”子代性狀分離比所隱藏的信息，實(shí)現(xiàn)思維過程可視化。

2.實(shí)例分析

2.1 實(shí)例一：兩對基因決定兩對相對性狀

【例1】某昆蟲眼色的野生型和棕色眼、野生型和朱紅眼分別由等位基因A、a 和B、b 控制，兩對基因在染色體上的分布示意圖如圖1。某野生型雌性個(gè)體與野生型雄性個(gè)體雜交，F(xiàn)1雌性個(gè)體中野生型303 只、棕色眼102 只，雄性個(gè)體中野生型152 只、朱紅眼148 只、棕色眼49 只、白眼50 只。

圖1

（1）親本的基因型為____________。

（2）F1表現(xiàn)為棕色眼的個(gè)體基因型為____________。

【答案】（1）AAXBXb、AaXBY（2）aaXBXB、aaXBXb、aaXBY

2.1.1 問題分析

問題（1）中親本的基因型是指題干中“某野生型雌性個(gè)體與野生型雄性個(gè)體”的基因型。解答該問題需要通過F1個(gè)體的表現(xiàn)型及比例等條件從子代到親本逆向推導(dǎo)出答案。而解答問題（2）需要得出親本基因型后，通過繪出遺傳圖解呈現(xiàn)雜交過程才能得出答案。

2.1.2 構(gòu)建模型

第一步：根據(jù)題意，建立雜交過程圖（如圖2）；將題目中的雜交過程模型化，明晰相關(guān)信息，為“基因與性狀關(guān)系”分析做準(zhǔn)備。

圖2

第二步：拆分比例（如圖3）；對子代雌雄個(gè)體表現(xiàn)型比例進(jìn)行拆分，拆分為兩對相對性狀及其比例，查看不同相對性狀在雌雄后代中比例是否相同，判定基因是否為伴性遺傳。

圖3

第三步：由子代向親代，逆推親本基因型（如圖4）。由于子代中雌雄個(gè)體野生型：棕色眼性狀均為3∶1，故確定為常染色體遺傳，逆向推導(dǎo)出親本基因型應(yīng)為Aa 與Aa；根據(jù)拆分結(jié)果發(fā)現(xiàn)，另一對基因B、b 決定的性狀分離比在子代雌雄個(gè)體中不一致，故該對基因?yàn)榘樾赃z傳，并推導(dǎo)其基因型為XBXb與XBY。故親本基因型為AaXBXb與AaXBY。

圖4

第四步：利用兩對相對性狀自由組合進(jìn)行驗(yàn)證。將親本兩對基因拆分進(jìn)行雜交，分別得到AA∶Aa∶aa=1∶2∶1 與XBXB∶XBXb∶XBY∶XbY=1∶1∶1∶1，兩對相對性狀比分別為A_∶a a=3∶1 與XBX-∶XBY∶XbY=2∶1∶1；再通過兩對相對性狀的自由組合進(jìn)行驗(yàn)證（如圖5），驗(yàn)證子代表現(xiàn)型及比例是否與題干中條件、結(jié)果相符。

圖5

2.1.3 思路點(diǎn)撥

從第三步中可知問題（1）中親本基因型為AAXBXb、AaXBY；從第四步中可推知題（2）F1表現(xiàn)為棕色眼的個(gè)體基因型為aaXBXB、aaXBXb、aaXBY。使用四步建模的方法得到模型，可以直接提取解答問題所需的答案，幫助學(xué)生梳理思路，使思維過程可視化，避免解題過程出現(xiàn)復(fù)雜的推導(dǎo)，從而快速得出結(jié)果。

2.2 實(shí)例二：兩對基因決定一個(gè)性狀的三對相對性狀

【例2】某雌雄異株植物的花色由兩對基因A、a，B、b 控制其中B、b 基因位于性染色體上，且所有基因均不位于Y 染色體上，當(dāng)A、B 同時(shí)存在時(shí)為紫花。將紫花雌株與白花雄株雜交，F(xiàn)1無論雌雄全為紫花，F(xiàn)1雌雄植株相互雜交后得到F2如表2 所示。請回答：

表2

（1）親本基因型為____________。

（2）F2紫花植株中純合子占____________。

【答案】（1）AAXBXB、aaXbY（2）2/9

2.2.1 問題分析

問題（1）中親本的基因型是指題干中“紫花雌株與白花雄株”的基因型。解答該問題需要通過F2個(gè)體的表現(xiàn)型及比例等條件逆向推導(dǎo)出答案。確定F2紫花植株中純合子所占比例，需得出F1基因型后才能解答。

2.2.2 構(gòu)建模型

第一步：根據(jù)題意，建立雜交過程圖（如圖6）。

圖6

第二步：拆分比例（如圖7）。

圖7

第三步：逆推親本基因型（如圖8）。通過拆分比例可知，紫花與藍(lán)花性狀在子二代雌雄個(gè)體中的比例相同，與性別無關(guān)，故為常染色體遺傳。按遺傳規(guī)律，拆分出的另一對基因決定的性狀比為2∶0 與1∶1，由于在雌雄中的比例不同，故該對基因?yàn)榘樾赃z傳。

圖8

第四步：利用F1間雌雄相互交配，獲得F2中兩對相對性狀的自由組合進(jìn)行驗(yàn)證（如圖9）。

圖9

2.2.3 思路點(diǎn)撥

從第三步中可知問題（1）中親本基因型為AAXBXB、aaXbY ；從第四步中可推知問題（2）F2紫花植株中純合子占2/9。

2.3 實(shí)例三：兩對基因決定一個(gè)性狀的三對相對性狀，且存在配子致死

【例3】大花女婁菜是一種雌雄異株的二倍體植物，其性別決定方式為XY 型。其花瓣中色素代謝過程如圖10，當(dāng)藍(lán)色素與紅色素同時(shí)存在時(shí)為紫花，決定兩種色素合成的基因獨(dú)立遺傳。現(xiàn)有兩紅花植株親本雜交得到F1，F(xiàn)1的表現(xiàn)型比例如圖11 所示。

圖10

圖11

（1）控制藍(lán)色素合成的基因是位于___________染色體上的_____（填“A”或“a”）。

（2）F1中分離比異常的原因是_______________________________，如果對雄性親本進(jìn)行單倍體育種并獲得相應(yīng)植株，所獲得的雌株表現(xiàn)型及比例應(yīng)為____________。

【答案】（1）X a（2）雄配子或雌配子B 致死時(shí)均會(huì)導(dǎo)致子代中紅花與白花的性狀比為1∶1全為白花（bbXAXA）或白花（bbXAXA）與紅花（BBXAXA）=1∶1

2.3.1 問題分析

問題（1）判斷藍(lán)色素的基因顯隱性及是否為伴性遺傳和問題（2）F1中分離比異常原因，均需要通過F1表現(xiàn)型及比例等條件逆向推導(dǎo)出親本基因型，并驗(yàn)證F1中各表現(xiàn)型和基因型后才能得出答案。

2.3.2 構(gòu)建模型

第一步：根據(jù)題意，建立雜交過程（如圖12）。

圖12

第二步：拆分比例（如圖13）。

圖13

第三步：逆推親本基因型。推導(dǎo)親本基因型時(shí)，利用拆分比例可知，白與紅性狀在后代雌雄個(gè)體中的比例相同，與性別無關(guān)，所以為常染色體遺傳。子代中白與紅性狀比為1∶1，為測交后代比例，按規(guī)律推測親本基因型為Bb 與bb，表現(xiàn)型為紅花與白花，但親本均為紅花，故不符合推測。思考親本均為紅花條件下是否能夠雜交產(chǎn)生紅花與白花后代且比例為1∶1。使用棋盤法進(jìn)行推導(dǎo)（如圖14），當(dāng)雄配子或雌配子B 致死時(shí)均會(huì)導(dǎo)致子代中紅花與白花的性狀比為1∶1。由此確定兩親本基因型均為Bb。另一對等位基因在子代雌雄中的比例分別為2∶0 與1∶1，雌雄中比例不一樣，故為伴性遺傳。由于子代雄性中白與藍(lán)的比例為1∶1，故母本基因型為XAXa；而子代雌性均為白，故父本基因型為XAY（如圖15）。

圖14

圖15

第四步：利用F1中兩對相對性狀自由組合進(jìn)行驗(yàn)證（如圖16）。

圖16

2.3.3 思路點(diǎn)撥

從第四步中可知問題（1）中藍(lán)色素基因是由位于X 染色體上的a 基因決定的。從第三、四步可知問題（2）F1分離比異常的原因是“雄配子或雌配子B 致死時(shí)均會(huì)導(dǎo)致子代中紅花與白花的性狀比為1∶1”；如果對雄性親本（BbXAY）進(jìn)行單倍體育種，所獲得的雌株表現(xiàn)型及比例應(yīng)為“全為白花（bbXAXA）或白花（bbXAXA）與紅花（BBXAXA）=1∶1”。

2.4 實(shí)例四：兩對基因決定兩對相對性狀，且存在基因純合致死

【例4】某種昆蟲的眼色的朱紅色和紅色、眼形的正常眼和棒眼分別由等位基因A、a 和B、b 控制，兩對等位基因分別位于兩對同源染色體上，且存在基因純合致死現(xiàn)象。為研究其遺傳機(jī)制，選取一對朱紅眼正常眼昆蟲進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)，得到F1表現(xiàn)型及數(shù)目如表3：

表3

（1）控制眼色的基因位于________染色體上，判斷的依據(jù)是_____________________________________。

（2）親本朱紅色正常眼昆蟲的基因型為和________。F1昆蟲中致死的基因型為____________。

【答案】（1）X 朱紅眼與紅眼的比例在雌雄個(gè)體中不同（2）BbXAXaBbXAY bbXAXA和bbXAY

2.4.1 問題分析

問題（1）判斷控制眼色的基因是否位于性染色體上，需要根據(jù)F1雌雄個(gè)體中兩對相對性狀比例進(jìn)行判斷。問題（2）推導(dǎo)出親本朱紅色正常眼昆蟲基因型，需要通過F1表現(xiàn)型及比例逆向推導(dǎo)出親本基因型；問題（2）中F1昆蟲致死基因型，需通過親本基因型決定的兩對相對性狀自由組合驗(yàn)證后，才能推導(dǎo)得出。

2.4.2 構(gòu)建模型

第一步：根據(jù)題意，建立雜交過程圖（如圖17）。

圖17

第二步：拆分比例；由表3 可知雌性中正常眼與棒眼的比例為6∶1，雄性中正常眼與棒眼的比例為（3+3）∶（1+0）=6∶1，未致死時(shí)比例應(yīng)為6∶2，有1 份朱紅棒眼雄性昆蟲致死。同理，結(jié)合第（2）題題干“F1昆蟲中致死的基因型為”，可知有朱紅棒眼致死，故未致死時(shí)比例為6∶2=3∶1；故拆分比例如圖18 所示。

圖18

第三步：逆推親本基因型（如圖19）。

圖19

第四步：利用兩對相對性狀的自由組合進(jìn)行驗(yàn)證（如圖20）。

圖20

2.4.3 思路點(diǎn)撥

從第二步可知朱紅眼與紅眼的比例在雌雄個(gè)體中不同，故該對性狀為伴性遺傳，基因A、a 位于X 染色體上。從第三步可得出親本朱紅色正常眼昆蟲的基因型為BbXAXa與BbXAY；從第四步可得出F1昆蟲中致死基因型為bbXAXA與bbXAY。

2.5 實(shí)例五：兩對基因決定兩對相對性狀，基因純合致死且一對基因位于X、Y 染色體上

【例5】（2018 年4 月，浙江卷，第31 題節(jié)選）某昆蟲的紅眼與朱紅眼、有眼與無眼分別由基因A（a）、B（b）控制，其中有一對基因位于性染色體上，且存在兩對隱性基因純合致死現(xiàn)象。一只紅眼雌性個(gè)體與一只朱紅眼雄性個(gè)體交配，F(xiàn)1雌性個(gè)體中有紅眼和無眼，雄性個(gè)體全為紅眼。讓F1雌雄個(gè)體隨機(jī)交配得F2，F(xiàn)2的表現(xiàn)型及比例如表4。

表4

回答下列問題：

（1）有眼對無眼為_______性，控制有眼與無眼的B（b）基因位于_______染色體上。

（3）F2紅眼雄性個(gè)體有_______種基因型。

【答案】（1）顯 X 和Y（3）4

2.5.1 問題分析

問題（1）中判斷相對性狀顯隱性及其是否為伴性遺傳問題，均需通過F2表現(xiàn)型及比例等條件逆推出F1和親本基因型，并驗(yàn)證F2中各表現(xiàn)型和基因后才能得出答案。問題（3）推導(dǎo)出F2紅眼雄性個(gè)體基因型類型，需得出F1雌雄個(gè)體基因型并進(jìn)行兩對相對性狀自由組合方可得出答案。

2.5.2 構(gòu)建模型

第一步：根據(jù)題意，建立雜交過程圖（如圖21）。

圖21

第二步：拆分比例。結(jié)合該題干“存在兩對隱性基因純合致死現(xiàn)象”可知，F(xiàn)2中有致死個(gè)體，故未致死時(shí)雌性中的性狀比例應(yīng)約為3∶1∶2。拆分后比例如圖22 所示。

圖22

第三步：逆推親本基因型（如圖23）。從第二步可知紅眼與朱紅眼的比例在雌雄個(gè)體中相同，基因A、a 位于常染色體上。有眼（紅眼和朱紅眼）與無眼相對性狀在雌雄個(gè)體中比例不同，故為伴性遺傳。由于在F1、F2中雄性均為有眼性狀，雌性中有、無眼性狀均有。

圖23

第四步：從第三步可知常染色體遺傳的基因A、a，在F2中A _與aa 的比例為3∶1；有無眼相對性狀在F2中比例，可根據(jù)F1個(gè)體的雌雄配子比例，通過棋盤法（如圖24）得 出XBXB∶XBXb∶XbXb∶XBYB∶XbYB=1∶4∶3∶2∶6，即XBX-∶XbXb∶XBYB∶XbYB=5∶3∶2∶6。然后，利用兩對相對性狀的自由組合進(jìn)行驗(yàn)證（如圖25）。

圖24

圖25

2.5.3 思路點(diǎn)撥

從第二步可知問題（1）中有眼對無眼為顯性；從第三步、第四步可知問題（1）有眼與無眼基因B（b）位于X、Y 染色體上。從第四步可知問題（2）F2紅眼雄性個(gè)體有4 種基因型，即AAXBYB、AaXBYB、AAXbYB、AaXbYB。

3.總結(jié)與反思

解決遺傳學(xué)問題需要學(xué)生有較高的思維能力，因此，遺傳學(xué)問題是非常好的思維訓(xùn)練材料，適當(dāng)訓(xùn)練可有效提升學(xué)生的思維能力。對于偏理科思維的學(xué)生而言，練習(xí)過程無異于攀爬一座一座高山，當(dāng)成功解答問題時(shí)，學(xué)生會(huì)有較高成就體驗(yàn)。但對于偏文科思維的學(xué)生而言，就顯得難以著手，練習(xí)過程中甚至可能產(chǎn)生挫折感。筆者認(rèn)為不管對哪一類學(xué)生，在遺傳學(xué)問題的解答上，一定要幫助學(xué)生找到突破口。因此，筆者梳理了以上解答遺傳大題的四步建模法，即首先，要厘清相關(guān)信息，建構(gòu)雜交過程圖能很好地幫助學(xué)生梳理信息，實(shí)現(xiàn)信息整合；其次，進(jìn)行子代性狀分離比拆分，幫助學(xué)生快速理解題意，找到突破口；第三，利用已有的每對相對性狀分離比，逐對地推出親本基因型；第四，通過親本基因型推導(dǎo)出子代基因型與表現(xiàn)型，對題干信息進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也為遺傳大題中“計(jì)算子代相關(guān)基因型、表現(xiàn)型比例和繪制遺傳圖解”做準(zhǔn)備。通過該方法，可有效幫助學(xué)生梳理遺傳大題中的重要信息，化繁為簡，快速解決問題。從筆者任教班級的學(xué)生反饋來看，學(xué)生通過使用該方法能夠減少在“基因或基因型”與“性狀或表現(xiàn)型”匹配關(guān)系上花費(fèi)的時(shí)間，并提高了“基因所在染色體判斷、親本或子代基因型判斷、遺傳圖解繪制”問題的正確率。

目前浙江省普通高校招生選考科目考試生物試題中遺傳大題，均為兩對非同源染色體上非等位基因決定兩對相對性狀的相關(guān)問題。因此，對于這類問題解決，教師需要幫助學(xué)生理解好自由組合定律的本質(zhì)，即“兩對非同源染色體上的兩對非等位基因在形成配子過程中自由組合形成四種配子”。在此基礎(chǔ)上學(xué)生還需要練習(xí)各種變式試題，防止思維定式。