真核生物基因定位的实验探索（1）

王 海 荆永涛

（河南省周口市第一高级中学 河南周口 466000）

广义的基因定位是指基因所属连锁群或染色体及基因在染色体上的具体位置的测定。本文不涉及遗传实验的具体步骤和基因精确定位，主要是从经典基因定位的家系（种群）水平和现代基因定位的细胞与分子水平，共3 个层面上讨论基因的粗略定位，以探讨如何通过一系列教学环节，落实《普通高中生物学课程标准（2017年版）》课程理念、课程性质和目标。首先是关于遗传学史的回顾。

1 著名遗传学家及常用实验材料

1）魏斯曼（A.Weisman）于1883年提出“种质论”。主张生物体由质上根本相异的2 部分——种质和体质组成。种质负责传递保持物种种性的全部遗传因子，体质保护和帮助种质自身繁衍。

2）孟德尔（J.G.Mendel）从1856年开始进行了8年的豌豆杂交实验，提出了著名的遗传因子假说，并用假说-演绎法对豌豆的性状遗传进行了大量的数学统计分析，采用从一对相对性状到多对相对性状进行研究的方法，发现了遗传学的分离定律和自由组合定律。孟德尔的发现在被埋没了35年之后才被3 位科学家“重新发现”：荷兰的德·弗里斯（H.de·Vires）以月见草为材料，德国的柯伦斯（C.Correns）以玉米为材料，奥地利的丘歇马克（Tschermak）以豌豆为材料，3 人分别证实了孟德尔定律之正确。这标志着生物学研究进入实验生物学阶段。

1902年鲍维丰（T.Boveri）、1903年萨顿（W.Sutton）在研究减数分裂时，发现遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系，萨顿用类比推理法提出染色体是遗传因子的载体。1909年约翰逊（W.Johannsen）称孟德尔的“遗传因子”为“基因（gene）”，并明确基因型和表型。1909年詹森斯（F.A.Janssen）观察到染色体在进行减数分裂时呈交叉现象，为解释基因连锁互换现象提供了细胞学基础。

3）摩尔根（T.H.Morgan）通过对果蝇的实验研究，首次将一个基因（果蝇白眼基因）定位于一条染色体（X 染色体）上，揭示了遗传学第三定律——基因的连锁互换定律，成为孟德尔学说的坚决支持者和继承发展者。摩尔根及其学生还进一步证明了基因在染色体上呈线性排列，开辟了遗传学的新篇章。

4）艾弗里（O.T.Avery）于1944年采用肺炎双球菌转化实验证明了肺炎双球菌的遗传物质是DNA。赫尔希（A.D.Hershey）等于1952年采用噬菌体侵染大肠杆菌实验，进一步确认了DNA 是遗传物质。

5）沃森（Watson）和克里克（Crick）于1953年提出DNA 双螺旋结构模型，标志着遗传学及整个生物学进入分子水平的新时代。1948年麦克林托克（B.Mclintock）在玉米中发现可动遗传因子，即转座因子。随后科学家探明了mRNA、tRNA 及核糖体的功能，探明蛋白质生物合成的过程，提出“中心法则”，完成人类基因组计划（HGP）等，遗传学逐渐进入后基因组时代。循着前人足迹不断地探索，是人类进步的方向，引导学生学会像科学家一样思考必将使其终生受益。

2 经典基因定位——遗传家系(种群)层次的基因定位

2.1 通过正、反交实验进行基因定位

探究情境：豌豆、果蝇和玉米是常用的遗传学实验材料。

图1 果蝇的2 对相对性状

图2 果蝇的体细胞染色体组成与性染色体

任务1：已知果蝇的灰身和黑身是一对相对性状，现有2 管自交纯系的黑身和灰身果蝇若干，请设计实验方案，以确定控制果蝇体色的基因位置。

思路点拨：果蝇为真核生物，其基因的位置有以下可能：

图3 果蝇基因的可能位置

问题引领：若控制体色的基因是细胞质基因，可以用什么方法进行验证?

思路点拨：生物性状的遗传，多是通过亲本产生配子，由配子结合形成合子（受精卵），合子发育成子代，所以配子是亲、子代间的桥梁。真核生物的交配类型有：自交、杂交、自由交配（随机交配）等。杂交又可包括正交、反交、测交、回交、互交等类型。设计遗传学实验，主要是设计特定的交配类型，观察分析亲、子代的表型及比例，通过遗传家系分析，从亲、子代间性状的传递这个“表象”入手，作出假设、进行演绎推理、实验验证，最后得出性状传递规律之所以发生的“本质”。

回顾减数分裂和受精作用的过程可知，受精卵中几乎没有精子的细胞质成分，所以线粒体基因一般只能随卵细胞传给子代。可通过正交和反交实验，分析子代的表型：若子代性状的表现都与母本一致，即表现母系遗传特点，则控制果蝇体色的基因位于线粒体中，否则位于细胞核染色体上。

问题引领：若控制果蝇体色的基因位于Y 染色体上，能否用正、反交的方法进行验证？

思路点拨：若基因只位于Y 染色体上，则遗传性状只会出现于雄性个体，雌性个体无此表型，故无法进行正、反交实验。种群中会呈现♂→♂→♂的特点，所以通过遗传家系(种群)层次的性状分析，较易判定。

问题引领：排除以上2 种情况后，该基因的位置还有哪些可能？仅进行正、反交实验可否进行区分？

思路点拨：还有3 种可能：基因位于常染色体；仅位于X 染色体；位于X、Y 的同源区段。引导学生从理论上思考，用怎样的交配组合才可能将它们区分。然后依据学过的遗传学知识，绘遗传图解进行演绎推理，通过对亲、子代间性状遗传的统计分析，作出判断和推理，得出科学的结论。

学生活动：先写出相关的基因型（基因用A、a表示）。若基因位于常染色体上，基因型有AA、Aa、aa；若基因仅位于X 染色体上，基因型有XAXA、XaXa、XAXa、XAY、XaY；若位于X、Y 同源区段上，雌性基因型：XAXA、XAXa、XaXa，雄性基因型：XAYA、XAYa、XaYA、XaYa。再写出正、反交的遗传图解。

思路点拨：若基因仅位于X 染色体上，正、反交子代的表型不同且与性别有关。但若控制性状的基因位于常染色体上或位于X、Y 的同源区段，正、反交的结果一样，子代都表现出显性性状。

问题引领：如何进一步判断基因位于常染色体上还是位于X、Y 的同源区段?

学生活动：从子代出发，设计杂交实验，并绘制遗传图解。

如让各自的子代分别自由交配(随机交配)，子代都会出现3∶1 的分离比，控制果蝇体色的基因位于常染色体时，子代中雌、雄表型比例相同，都是3∶1；基因位于X、Y 同源区段时，隐性性状只出现于某种性别：雌性或雄性，从而可以将二者加以鉴别。

引导学生进行规律总结，对正、反交子代的表型作如下分析：

图4 正、反交思路总结

2.2 伴性遗传的实验探究

任务2：若已知果蝇灰身对黑身为显性性状，请设计实验，只通过一代杂交判断控制体色的基因是位于常染色体上还是位于X 染色体上。

思路点拨：提示学生用假说-演绎法思考，不难想到以下实验方案（图5）。

图5 伴性遗传的判定图解

问题引领：若研究的实验材料是ZW 型性别决定的家蚕，又当如何选择杂交的亲本?杂交子代的性状表现如何?

通过对基因型的分析易知：用黑身雄性纯合体ZbZb和灰身雌性纯合体ZBW 杂交即可。让学生通过遗传图解进行验证，再引导学生进行规律总结。

2.2.1 基因是在常染色体上还是性染色体上的实验探究 在显、隐性已知的情况下，可通过具有同型性染色体（XX 或ZZ）的亲本选用隐性性状个体，异型性染色体（XY 或ZW）的亲本选用显性纯合个体进行杂交。若子代出现交叉遗传现象（雌性子代与父本表型相同，雄性子代与母本表型相同），则为伴性遗传。若子代皆表现为显性性状，则为常染色体遗传。

2.2.2 基因是在X 染色体上还是X、Y 同源区段上的实验探究 选黑身雌性与纯合灰身雄性杂交，观察分析子代表型。若子代中出现隐性性状且只出现在雄性中，则基因位于X 染色体上。若子代均为显性，则基因位于X、Y 同源区段上。

2.3 数据分析法确认基因位置

任务3：家猫的有尾与无尾（由一对等位基因A、a 控制）、眼睛的黄色与蓝色（由另一对等位基因B、b 控制）。其中某一对性状的纯合基因型的合子不能完成胚胎发育。现从家猫中选择多只表型相同的雌猫和多只表型相同的雄猫作亲本，杂交所得F1的表型及比例如表1所示，请分析回答：

表1 F1 的表型及比例

1）家猫的上述2 对性状中，不能完成胚胎发育的性状是________，基因型是________（只考虑这一对性状）。

2）控制有尾与无尾性状的基因位于________染色体上，控制眼色的基因位于__________染色体上。判断的依据是________________。

问题引领：如何研究多对相对性状遗传表现的问题？

思路点拨：对家猫的2 对相对性状遗传问题，可进行逐对分析。先考虑有尾与无尾：子代中不论雌、雄，都是无尾∶有尾=2∶1，可判断无尾是显性，有尾是隐性，与性别无关，相关基因位于常染色体上。2∶1 的出现应是3∶1 的变式，存在显性纯合（AA）致死现象，故亲本基因型为Aa×Aa；后考虑眼色：雄猫中黄眼∶蓝眼=1∶1，雌猫中只有黄眼，无蓝眼个体出现。说明黄眼是显性，蓝眼为隐性，并且决定眼色的基因位于X 染色体上，故亲本基因型为AaXBXb和AaXBY。

2.4 利用非等位基因之间的关系进行基因定位

任务4：实验室中有一批未交配的纯种灰体紫眼和纯种黑体红眼果蝇，每种果蝇雌、雄个体都有。已知：上述2 对相对性状均属完全显性遗传，性状的遗传遵循遗传的基本定律，灰体和黑体（基因A、a 控制）这对相对性状由一对位于第Ⅱ号同源染色体上的等位基因控制，所有果蝇都能正常生活。如果控制果蝇紫眼和红眼的基因（B、b）也位于常染色体上，请设计一套杂交方案，以确定控制紫眼和红眼的基因是否也位于第Ⅱ号同源染色体上，并对结果进行预期，得出相应的结论。

问题引领：若控制紫眼和红眼的基因（B、b）位于第Ⅱ号同源染色体上，杂交子代中表型比例如何？若不在第Ⅱ号同源染色体上，杂交子代中表型比例又如何？

思路点拨：位于非同源染色体上的非等位基因的传递遵循自由组合定律，而位于同源染色体上的非等位基因的传递则遵循连锁互换定律。并可据此进行基因在染色体上的精确定位。

参考答案：让纯种灰体紫眼果蝇和纯种黑体红眼果蝇交配得子代F1，再让F1雌、雄果蝇相互交配得F2，观察并记录F2的性状分离比。

预期结果和结论：

1）如果F2出现4 种性状，其分离比为9∶3∶3∶1（符合基因的自由组合定律），则说明控制紫眼和红眼的基因不是位于第Ⅱ号同源染色体上。

2）如果F2不出现为9∶3∶3∶1 的分离比（不符合基因的自由组合定律），则说明控制紫眼和红眼的基因位于第Ⅱ号同源染色体上。

规律总结：通过学生讨论合作完成。

2.5 遗传家系调查——系谱分析法确定基因的位置

问题引领：关于人类基因的定位，是不可以进行杂交实验的，怎么办？

在患者家系中调查，画出遗传系谱图，然后进行系谱分析，从而确定性状的遗传类型和基因的位置。

任务5：通过遗传家系调查确定人类单、双眼皮和有、无酒窝的基因位置，分析下图对相关基因进行定位。

图6 遗传家系调查系谱图

思路点拨：根据人类遗传病的传递规律分析。

学生活动：课堂讨论，确定决定单、双眼皮，有、无酒窝，白化病，色盲的基因位置。

初步结论：双眼皮为显性S__，单眼皮为隐性ss，有酒窝为显性O__，无酒窝为隐性oo。这2 对等位基因位于2 对常染色体上且自由组合。白化病为常染色体隐性遗传，色盲为伴X 隐性遗传。

（待续）