基于三个水平设问，深化对遗传规律本质的理解

辽宁

孟德尔遗传规律是高中生物学的重要知识点，也是高考必考内容之一，试题围绕孟德尔遗传实验的科学方法、基因的分离定律和自由组合定律、基因与性状的关系、伴性遗传及遗传规律在生产生活中的应用进行考查，灵活多变，承载着较高的能力素养要求。在高三一轮复习时，联系学生已有的知识基础，从个体、细胞、分子三个水平设计不同梯度的问题，激发学生学习的积极性和主动性，引导学生层层深入地回归遗传规律的细胞学基础，领会遗传规律的本质，进一步实现知识的迁移和应用，提升科学思维能力。

1.从个体水平的表现型比例入手

人类对遗传规律的探索之路是从个体水平出发的，通过观察生物杂交后代的性状进行推测和猜想。设计教学时，以人教版必修2教材第14页的技能应用为题源，从学生最熟悉的显隐性判断入手，然后有意识地由浅入深，由表及里设计问题，帮助学生逐步体会简单背后隐藏的不简单。

【例1】如图1表示的是某种蝴蝶纯合亲本杂交产生的1 355只 F2的性状。判断哪些性状是显性的，哪些性状是隐性的。对图1中数据进行分析，解释你的答案。

图1

对于这道题学生很容易给出答案，即绿眼∶白眼 ≈3∶1，绿眼是显性性状。紫翅∶黄翅 ≈3∶1，紫翅是显性性状。

笔者在此基础上设计问题：①眼色和翅型的遗传是否遵循基因的分离定律？为什么？为什么会出现3∶1的分离比呢？②要验证基因的分离定律一般采用什么交配方法？后代性状分离比是多少？然后再追问选择隐性纯合子进行测交实验有什么意义？

遗传规律部分在高考中的考查题型有性状的显隐性判断、纯合子和杂合子判断、遗传规律类型判断、致死问题、基因互作等问题，表面上考查的是遗传现象的分析、判断和概率计算，其实是在对遗传规律本质的理解的基础上对规律的应用，是对探究能力的考查。设计上述问题的目的就是要引导学生分析现象背后的原因。对于为什么一对杂交实验的眼色性状分离比是 3∶1这个问题，学生能很快找到原因——子代基因型比例为 1∶2∶1，这时教师接着追问，子代基因型比例为 1∶2∶1出现的原因是什么呢？引导学生将思维点落到配子水平，即F1产生比例为1∶1的雌配子及比例为 1∶1的雄配子。这样从现象分析入手，然后通过设问强调测交的作用，帮助学生理解测交是利用个体水平的表现型和比例，通过推测亲本产生配子的种类和比例，过渡到细胞水平的研究，即配子是通过减数分裂产生的，进一步去寻找遗传规律在细胞水平的证据，深入理解基因分离定律的本质。

2.从细胞水平的染色体行为推进

细胞水平的研究，先从显微镜下可以观察到的花粉，也就是配子开始。以人教版必修2教材第8页的基础题第3题为题源，进行适当的变式，有效促进学生从细胞水平理解遗传规律的本质。因为花粉鉴定法也是微观层面的研究，笔者在课后习题的基础上设计习题情境：图2表示在同一载玻片上随机所得的四个视野中花粉粒的分布状况。黑色圆点表示蓝黑色花粉粒，白色圆点表示橙红色花粉粒。请同学统计四个视野内方框中两种花粉粒的数目，说出这一水稻品系中两种花粉粒数量的比例，推测该品系水稻是纯合子还是杂合子，帮助学生理解“F1花粉鉴定法”，理解基因分离定律的本质。

图2 四个视野中花粉粒的分布状况

在此情境的基础上，再展示例2，帮助学生理解基因自由组合定律的本质。

【例2】水稻的非糯性（B）和糯性（b）是一对相对性状，非糯性花粉中所含的淀粉为直链淀粉，遇碘变蓝黑色，而糯性花粉中所含的是支链淀粉，遇碘变橙红色。现在用纯种的非糯性水稻和糯性水稻杂交，取F1花粉加碘液染色，在显微镜下观察，半数花粉呈蓝黑色，半数呈橙红色，请回答：（1）花粉出现这种比例的原因是什么？（2）非糯性（B）对糯性（b）为显性，F1产生配子的基因型是什么？实验结果验证了什么？F1自交，后代的基因型和表现型的比例分别是多少？（3）若抗病（T）对染病（t）为显性，花粉粒长形（D）对圆形（d）为显性，三对等位基因位于三对同源染色体上，非糯性花粉遇碘液变蓝黑色，糯性花粉遇碘液为橙红色。现有四种纯合子基因型分别为Ⅰ.BBTTdd，Ⅱ.BBttDD，Ⅲ.BBttdd，Ⅳ.bbttdd。若采用花粉鉴定法验证基因的分离定律，应选择亲本Ⅰ与几号杂交？若选择抗病（T）对染病（t）这对性状个体杂交来验证基因的分离定律，可以让Ⅰ和Ⅱ进行杂交后取F1的花粉进行怎样的处理？这种方法叫作什么？若采用花粉鉴定法验证基因的自由组合定律，杂交时应选择的亲本组合是什么？将杂交所得F1的花粉涂在载玻片上，加碘液染色，置于显微镜下观察，预期结果是什么？

花粉鉴定法是从配子也就是细胞水平反映杂合子产生的配子情况，直接证明基因的分离定律或者自由组合定律。单倍体育种是生物技术发展的产物，从个体水平间接反映杂合子产生的配子情况。从两个角度同时出发，可以帮助学生进一步理解配子和个体间的关系，个体与性状的关系。之后教师再提问配子和合子之间的关系，帮助学生们进一步理解杂合子自交产生性状分离比为 3∶1（9∶3∶3∶1）是配子1∶1（1∶1∶1∶1）随机结合的结果，理解自交方法可以验证基因的分离定律（自由组合定律）的原因。

教师进一步提问基因的分离定律和自由组合定律发生在什么过程中？然后展示图3，提问在产生比例为1∶1∶1∶1的四种配子的过程中，染色体的典型行为是什么？并请同学用竖线（︱）表示相关染色体，用点（·）表示相关基因位置，画出图3四分体时期和减数第一次分裂后期相应细胞的基因示意图。

故障车的混合汽修正值是向负的方向偏大，同时ECU在缩短喷油脉宽，说明故障车的混合汽过浓。为了验证故障车的混合汽是否真的过浓，笔者进行了故障码清除工作，以便在混合汽短期修正值和长期修正值都归零后，再重新读取发动机的失火数据(表2)。

图3 减数分裂部分图解

通过绘制减数分裂四分体时期及减数第一次分裂后期相应细胞基因型示意图，复习细胞水平上的染色体行为，学生自然而然地可以理解基因为什么分离，为什么自由组合；理解配子的比例分别是1∶1和1∶1∶1∶1的根本原因；基因的分离定律中的“分离 ”发生在谁与谁之间；基因分离与性状分离之间的关系是什么。

3.从分子水平的基因行为深入

性状是由基因控制的，基因的分离和自由组合的行为是与染色体的行为一致的。

接下来教师适时给出两个判断题：（1）基因的分离定律的本质是等位基因分离，基因的自由组合定律的本质是非等位基因的自由组合，基因的行为与染色体的行为一致。（2）若AaBb个体可产生四种配子：AB∶Ab∶aB∶ab=1∶1∶1∶1，说明两对基因的遗传遵循基因的自由组合定律。通过这两道题，帮助学生梳理易错点：考虑交叉互换时非等位基因自由组合的情况，能让学生理解自由组合定律的本质中为什么要加入“非同源染色体”，明确非等位基因可能位于一对同源染色体上或非同源染色体上，即自由组合定律发生在非同源染色体上的非等位基因之间；同时指出即使基因型相同，由于基因在染色体的位置上的差别，产生的配子并不相同，即使产生的配子种类相同，因为基因重组，四种配子的比例也可能不是1∶1∶1∶1 。然后再回到人教版必修2教材第14页的技能应用，在例1的基础上继续设问，形成例3。

【例3】例1题目中眼色和翅型的遗传是否一定遵循基因的自由组合定律，为什么？若这种蝴蝶紫翅（P）对黄翅（p）是显性，绿眼（G）对白眼（g）为显性，请用竖线（︱）表示相关染色体，用点（·）表示相关基因位置，在图4圆圈中画出PpGg体细胞的基因型示意图，并写出每种情况产生配子的基因型和自交及测交后代的表现型比例（假设两对基因完全显性）。

图4 学生活动一

在前面画出减数第一次分裂四分体时期和后期相应细胞基因型示意图的基础上设计画出PpGg的体细胞的基因型示意图，并写出每种情况产生配子的基因型和自交、测交后代的表现型比例的学生活动，是对前面复习的知识进行整合及能力提升的过程，也帮助学生依次从基因、细胞、个体三个水平层面理解遗传规律，可以深化对所学知识的理解和掌握。学生迁移、运用所学知识解决实际问题的能力是科学素养的核心，在学生自主填写，相互讨论、完善之后，教师将高考题、经典题进行简单改编，形成例4，进一步设计新的变式情境，有利学生知识、能力的拓展和提升。

【例4】植物甲具有极强的耐旱性，其耐旱性与某种基因有关。若从该植物中获得该耐旱基因2个x，并将其同时转移到耐旱性低的植物乙中，有可能提高后者的耐旱性。假如用得到的二倍体转基因耐旱植株自交，子代中耐旱与不耐旱植株的数量比为3∶1时，则可推测该耐旱基因整合到了__________________________（填“同源染色体的一条上”或“同源染色体的两条上”）。

师生一起分析，由子代中耐旱与不耐旱植株的数量比为3∶1可以得到两个基因应该整合到了同源染色体的一条上，请同学用竖线（︱）表示相关染色体，用点（·）表示相关基因位置，在圆圈内画出相应细胞的基因示意图。然后再设问，如果是整合到了同源染色体的两条上，则相应细胞的基因示意图应该怎么画？如果整合得到的二倍体转基因耐旱植株自交，子代中耐旱与不耐旱植株的数量比为15∶1时，则相应细胞的基因示意图又应该怎么画？

图5 学生活动二

接下来，教师再进一步深入，提问如何通过现代分子生物学技术将基因定位在染色体上。学生能很快回答出采用荧光标记技术，然后给出例5，帮助学生变换情境，引导学生联系减数分裂过程，进行综合分析，从深层次理解知识本质。

【例5】用三种不同颜色的荧光分别标记一个基因型为AaBB的小鼠精原细胞的基因A、a、B，观察其分裂过程，若发现某个次级精母细胞有三种不同颜色的4个荧光点，其原因是什么？

从分子水平设问，回归到孟德尔遗传规律的细胞水平，将基因定位在染色体上（如例6），帮助学生进一步理解基因在染色体上，随同源染色体的分离而分离，非同源染色体的自由组合而组合。

【例6】（2019年，全国卷Ⅰ，第32题）某实验室保存有野生型和一些突变型果蝇。果蝇的部分隐性突变基因及其在染色体上的位置如图6所示。回答下列问题。

图6

（1）同学甲用翅外展粗糙眼果蝇与野生型（正常翅正常眼）纯合子果蝇进行杂交，F2中翅外展正常眼个体出现的概率为 ___________。图6中所列基因中，不能与翅外展基因进行自由组合的是____________________________。

（2）同学乙用焦刚毛白眼雄蝇与野生型（直刚毛红眼）纯合子雌蝇进行杂交（正交），则子代雄蝇中焦刚毛个体出现的概率为___________；若进行反交，子代中白眼个体出现的概率为____________。

（3）为了验证遗传规律，同学丙让白眼黑檀体雄果蝇与野生型（红眼灰体）纯合子雌果蝇进行杂交得到F1，F1相互交配得到F2。那么，在所得实验结果中，能够验证自由组合定律的F1表现型是_________________，F2表现型及其分离比是_______________________；验证伴性遗传时应分析的相对性状是_____________________，能够验证伴性遗传的F2表现型及其分离比是_________________________________。

【答案】（1）3/16 紫眼基因 （2）0 1/2

（3）红眼灰体 红眼灰体∶红眼黑檀体∶白眼灰体∶白眼黑檀体=9∶3∶3∶1 红眼/白眼 红眼雌蝇∶红眼雄蝇∶白眼雄蝇=2∶1∶1

4.三个水平的整体升华

图7 验证遗传规律方法的深度解读

最后和学生一起归纳验证孟德尔遗传规律的方法有哪些；基因与性状、基因与染色体的关系如何，从个体、细胞和基因三个水平层次帮助学生深化对孟德尔遗传规律的理解。帮助学生认识到许多非常规的遗传题目，如与染色体变异联系起来判断基因是否在某条染色体上，或者在伴性遗传中分析基因在亲子代之间的传递规律，如果能够理解基因控制生物性状，并站在“染色体”的角度去思考，充分理解基因在染色体上，能够将基因和染色体的行为联系起来，抽象出基因在染色体上的位置情况，将有助于学生分析出数据和现象背后的本质原因，将观察的结果与遗传现象联系起来，有效解决问题，提升科学素养，理解知识本质。