群體中兩對相對性狀間的自交、自由交配、測交問題
——2021年高考山東卷遺傳題的拓展總結

范運梁

(山東大學附屬中學)

基因自由組合定律是高考命題的必考考點,每年的高考遺傳題素材多源自生產生活實踐或者科研實踐,很多問題都是生產實際或科學研究必須要解決的現實問題,這些情境類真題能夠考查學生的必備知識、關鍵能力、學科素養和核心價值,是落實立德樹人、服務選才、引導教學的一項重要載體。

1.高考真題

(2021年山東卷,第22題節選)番茄是雌雄同花植物,可自花受粉也可異花受粉。M、m基因位于2號染色體上,基因型為mm的植株只產生可育雌配子,表現為小花、雄性不育。基因型為MM、Mm的植株表現為大花、可育。R、r基因位于5號染色體上,基因型為RR、Rr、rr的植株表現型分別為正常成熟紅果、晚熟紅果、晚熟黃果。不考慮基因突變和交叉互換。

(1)基因型為Mm的植株連續自交兩代,F2中雄性不育植株所占的比例為________。雄性不育植株與野生型植株雜交所得可育晚熟紅果雜交種的基因型為________,以該雜交種為親本連續種植,若每代均隨機受粉,則F2中可育晚熟紅果植株所占比例為________。

【解析】基因型為Mm的植株自交,F1中MM∶Mm∶mm=1∶2∶1,其中MM、Mm的植株表現為大花、可育,mm的植株只產生可育雌配子,故只有1/3MM和2/3Mm能夠自交,則F2中雄性不育植株(mm)所占的比例為2/3×1/4=1/6。雄性不育植株(mm)與野生型植株雜交所得可育(Mm)晚熟紅果(Rr)雜交種的基因型為MmRr,以該雜交種為親本連續種植,若每代均隨機受粉,即自由交配,兩對等位基因自由組合,產生的配子有MR、Mr、mR、mr,比例為1∶1∶1∶1,則F1中有9種基因型,分別為1MMRR、2MMRr、1MMrr、2MmRR、4MmRr、2Mmrr、1mmRR、2mmRr、1mmrr,F1個體間自由交配得F2(mm的植株只產生可育雌配子),可用配子間的隨機結合來處理,F1產生的雌配子種類及比例為MR∶Mr∶mR∶mr=1∶1∶1∶1,產生的雄配子種類及比例為MR∶Mr∶mR∶mr=2∶2∶1∶1,利用棋盤格法可知F2中可育晚熟紅果植株(基因型為M_Rr)所占比例為1/4×3/6+1/4×3/6+1/4×2/6+1/4×2/6=10/24,即5/12。

本題涉及多種不同基因型個體間在兩對相對性狀中的自由交配(或隨機交配)問題,為提高學生思維水平和解題能力,需要引導學生對群體中兩對相對性狀間的自交、自由交配和測交問題進行方法總結,本文列舉相關習題以饗讀者。

2.典例精解

水稻是雌雄同花植物,可自花受粉也可異花受粉,已知水稻高稈(T)對矮稈(t)為顯性,抗病(R)對感病(r)為顯性,這兩對基因在非同源染色體上,基因型為TtRr的植株自交得F1,其表現型之比為高稈抗病∶高稈感病∶矮稈抗病∶矮稈感病=9∶3∶3∶1。

例.(1)取F1中全部高稈抗病植株,令其自交,求F2表現型之比。

(2)取F1中全部高稈抗病植株,令其個體間自由交配,求F2表現型之比。

(3)取F1中全部高稈抗病植株與矮稈感病植株測交,求下一代表現型之比。

【解析】F1中全部高稈抗病植株為T_R_,包括1/9TTRR,2/9TtRR,2/9TTRr,4/9TtRr。兩對基因的遺傳遵循基因自由組合定律,由于每一對等位基因都各自遵循分離定律,兩對基因之間互不干擾,可以先單獨考慮每一對相對性狀之間自交、自由交配、測交,然后利用棋盤格法進行性狀組合。

(1)T_R_自交,可以有兩種解題思路:

方法一:各基因型個體分別自交,最后求出表現型之比。

1/9TTRR→1/9TTRR(高抗)

2/9TtRR→2/9[3/4T_RR(高抗)、1/4ttRR(矮抗)]

2/9TTRr→2/9[3/4TTR_(高抗)、1/4TTrr(高感)]

4/9TtRr→4/9[9/16T_R_(高抗)、3/16T_rr(高感)、3/16ttR_(矮抗)、1/16ttrr(矮感)]

求和之后得出高抗∶高感∶矮抗∶矮感=25∶5∶5∶1。

方法二:單獨求出每一對性狀自交結果,然后利用棋盤格法進行性狀組合

T_自交后代高稈∶矮稈=5∶1,同理R_自交后代抗病∶感病=5∶1,兩種性狀互不干擾,更方便地得出高抗∶高感∶矮抗∶矮感=25∶5∶5∶1。

(2)解決T_R_自由交配問題,可以單獨求出每一對性狀自由交配結果,然后利用棋盤格法進行性狀組合較為方便:F1中T_植株可以產生配子的基因組成為2/3T、1/3t,根據遺傳平衡定律可知后代基因型為TT=4/9、Tt=4/9、tt=1/9,因此F1中T_植株自由交配,后代的表現型之比為高稈∶矮稈=8∶1,同理F1中R_植株自由交配,后代表現型之比為抗病∶感病=8∶1,兩種性狀互不干擾,利用棋盤格更方便地得出高抗∶高感∶矮抗∶矮感=64∶8∶8∶1。

(3)T_R_與ttrr測交,單獨求出每一對性狀測交結果,然后利用棋盤格法進行性狀組合:T_與tt測交后代表現型之比為高稈∶矮稈=2∶1,同理,R_與rr測交,后代表現型之比為抗病∶感病=2∶1,因此后代的表現型之比為高抗∶高感∶矮抗∶矮感=4∶2∶2∶1。

變式1.(1)淘汰掉F1中矮稈抗病植株,其余植株自交,求F2表現型之比。

(2)淘汰掉F1中矮稈抗病植株,其余植株個體間自由交配,求F2表現型之比。

(3)淘汰掉F1中矮稈抗病植株,其余植株與矮稈感病植株測交,求下一代表現型之比。

【解析】F1中淘汰矮稈抗病植株后,群體中9/13T_R_,3/13T_rr,1/13ttrr。(1)自交同樣有兩種方法:

方法一:各基因型個體分別自交,最后求出表現型之比(略)。

方法二:單獨求出每一組性狀之比,再求和,如3/13T_rr自交→3/13(5/6T_rr、1/6ttrr)。

最終求得高抗∶高感∶矮抗∶矮感=25∶15∶5∶7。

(2)淘汰后,剩余的群體中9/13T_R_、3/13T_rr和1/13ttrr進行自由交配,可以采用配子間的隨機結合的方法。在計算群體中配子概率時可以采用兩種方法:

方法一:各基因型個體間分別產生配子,然后求和,如9/13T_R_可產生配子基因組成為9/13(4/9TR、2/9tR、2/9Tr、1/9tr)。

方法二:淘汰ttR_前,F1群體產生配子的種類和比例為1/4TR、1/4Tr、1/4tR、1/4tr。被淘汰的ttR_中1/16ttRR產生的配子為1/16tR;2/16ttRr產生的配子為1/16tR、1/16tr,去掉這些配子并調整比例即為TR∶Tr∶tR∶tr=4∶4∶2∶3,然后列出棋盤格即可。

(3)由(2)可知淘汰ttR_,群體中9/13T_R_、3/13T_rr和1/13ttrr可以產生四種配子比例為TR∶Tr∶tR∶tr=4∶4∶2∶3,因此該群體與ttrr測交后代的表現型之比為4∶4∶2∶3。

變式2.(1)F1中所有植株自交,求F2表現型之比。

(2)F1中所有植株個體間自由交配,求F2表現型之比。

(3)F1中所有植株與矮稈感病植株測交,求下一代表現型之比。

【解析】(1)F1自交的解題思路主要有:

方法一:F1的9種基因型個體分別自交,求出各自表現型之比,最后求和,過程略。

方法二:單獨求出每一組性狀之比,再求和,如3/16ttR_自交→3/16(5/6ttR_、1/6ttrr),其他略。

方法三:利用雜合子連續自交,Fn代后各基因型的比例規律解題,如Aa連續自交n代后,

Fn:Aa=1/2n,AA=aa=1/2(1-1/2n)

由此可以推出,親代Tt自交兩代后,tt=3/8,T_=5/8,同理rr=3/8,R_=5/8,兩對相對性狀互不干擾可以自由組合,利用棋盤格最終求出高抗∶高感∶矮抗∶矮感=25∶15∶15∶9。

(2)F1中所有植株個體間自由交配,從親代到F1中再到F2,由于在整個過程中沒有發生突變、選擇和遷移,群體中各基因的基因頻率沒有發生改變,因此在F1中T、t、R、r的基因頻率均為1/2,根據遺傳平衡定律可以得出在F2中各基因型頻率(1/4TT、1/2Tt、1/4tt,1/4RR、1/2Rr、1/4rr)也不發生改變,F2中各表現型的比例依然是9∶3∶3∶1。

(3)F1中所有植株與矮稈感病植株測交,由于F1產生的配子比例和TtRr產生的配子一樣,均為TR∶tR∶Tr∶tr=1∶1∶1∶1,所以測交后代的比例依然為1∶1∶1∶1。

3.備考啟示