基于科学思维的转基因植物遗传特点分析

北京市昌平区第一中学 周有祥 李英芳 张双凤北京市昌平区第二中学 石雪飞

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出，“科学思维”是生物学学科核心素养的重要组成部分，它是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决问题的思维习惯和能力。

利用农杆菌转化法，可以将目的基因整合到受体的染色体DNA上，这样为转基因性状的稳定遗传奠定了基础。但是，由于此过程中存在着很多不确定的因素，因此，会体现出转基因植物的不同遗传特点。教师基于这些生物学事实和证据，运用归纳和概括、演绎与推理、模型与建模、创造性思维等方法引导学生学习，有利于培养学生的科学思维。

一、建立基本的遗传模型

（一）基于基因与染色体关系建模

对转基因植物来说，由于导入的目的基因是外源基因，所以，如果目的基因单拷贝的转基因植物出现转基因性状，则可以把转基因植物看作杂合子，也就是说转入的当作“显性基因”，而原有位点可以看成隐性基因，如图1所示。

图1

（二）基于模型的遗传分析

按照基因的分离定律进行分析，如果该植物自交将会出现3∶1的性状分离比。如果转基因植物与野生型杂交，子代将会出现转基因性状与野生型性状之比为1∶1。

但是，同样是单拷贝的不同转基因植物，其所转基因往往并不在同一个位置，如何确定不同转基因植株所转目的基因的位置呢？下面，根据假说演绎和完全归纳法进行分析。

二、单拷贝转基因植株中目的基因的位置分析

如果甲乙均为目的基因单拷贝的转基因植株，那么目的基因存在的状况就有三种可能性：①目的基因转移到了一对同源染色体的相同位点；②目的基因转移到了一对同源染色体的不同位点；③目的基因转移到了两对同源染色体上。我们可以按照如下相应的三种假设进行分析。

1.假设一：目的基因转移到了一对同源染色体的相同位点，其模型如图2所示。

图2

那么两种植株都可以看成Aa，没什么两样。依据基因的分离定律，两种植株分别可以产生两种配子。

演绎推理：甲乙杂交结果与各自自交结果相同，均出现3∶1性状分离比。甲乙分别与野生型杂交（测交），子代转基因性状与非转基因性状之比为1∶1。

2.假设二：目的基因转移到了一对同源染色体的不同位点，如图3。

图3

为了分析方便，我们把位于不同位点的同种目的基因分别记作A（a）与B（b）。这样，甲、乙的基因型就可以写成Aabb和aaBb，根据分离定律和是否完全连锁，可以进行如下推理：

演绎推理1：甲乙杂交子代（F1）的基因型和表现型为：AaBb（转基因型）、Aabb（转基因型）、aaBb（转基因型）、aabb（野生型），如图4。

图4

演绎推理2：如果将子代（F1）分别单株自交，则F2会出现以下几种情况。

（1）F1为aabb（野生型），其产生的配子均为ab，则F2全为野生型；（2）F1为Aabb（转基因）、aaBb（转基因），其产生的配子分别为Ab／ab、aB／ab，则其F2均为转基因∶野生型=3∶1；（3）F1为AaBb（转基因），如果不考虑交叉互换，其产生的配子为Ab／aB，则其F2均为转基因型；如果考虑交叉互换，其产生的配子为Ab／aB（分别超过1／4）、AB／ab（分别低于1／4），则其F2中会出现少量野生型，但一般低于1／16。

演绎推理3：如果将子代（F1）中的转基因类型分别与野生型杂交（测交），则会出现以下测交结果。

（1）F1为Aabb（转基因）、aaBb（转基因），测交结果为转基因∶野生型=1∶1；（2）F1为AaBb（转基因），如果不考虑交叉互换，则其测交子代均为转基因型；如果考虑交叉互换，则其测交子代中会出现少量野生型，但一般低于1／4。

3.假设三：目的基因转移到了两对同源染色体上，如图5。

图5

为了分析方便，我们依然把位于不同位点的同种目的基因分别记作A（a）与B（b）。这样，甲、乙的基因型就可以写成Aabb和aaBb，根据基因的自由组合定律，可以分析出甲产生的配子是Ab、ab，乙产生的配子是aB、ab。

演绎推理1：甲乙杂交子代（F1）的基因型和表现型为AaBb（转基因）、Aabb（转基因）、aaBb（转基因）、aabb（野生型），如图6。

图6

演绎推理2：如果将子代（F1）分别单株自交，则F2会出现以下几种情况。

（1）F1为aabb（野生型），则F2全为野生型；

（2）F1为Aabb（转基因）、aaBb（转基因），则其F2均为转基因∶野生型=3∶1；

（3）F1为AaBb（转基因），则其F2中转基因∶野生型=15∶1。

演绎推理3：如果将子代（F1）中的转基因类型分别与野生型杂交（测交），则会出现以下测交结果。

（1）F1为Aabb（转基因）、aaBb（转基因），测交结果为转基因∶野生型=1∶1；

（2）F1为AaBb（转基因），测交结果为转基因∶野生型=3∶1。

4.例题分析（原题节选）

科研工作者从农杆菌中获得带有潮霉素抗性基因（H基因）的Ti质粒，将抗逆基因插入到Ti质粒的TDNA上，再利用农杆菌转化法，将抗逆基因转入至拟南芥（2n=10）中，获得不同株系的拟南芥。

为确定不同拟南芥株系导入的基因在染色体上的相对位置，科研人员筛选并通过自交获得转基因成功的4个纯合株系：1、2、3、4，做了如下杂交实验。

①4个纯合株系植株分别与非转基因植株正、反交得F1，F1自交获得F2。F2中抗潮霉素性状与不抗潮霉素性状的植株比例为______，表明每个株系的H基因均稳定的存在，但不能确定4个株系的H基因是否位于同一对同源染色体上。

②将上述4个纯合株系植株间进行配组形成6个杂交组合（1×2、1×3、1×4、2×3、2×4、3×4），每个组合得F1，F1自交获得F2。

A.除2×4组合外，其他杂交组合F2中抗潮霉素性状与不抗潮霉素性状的植株比例均为15∶1，表明1、2、3三个株系相比较，它们的H基因位于______（同源染色体／非同源染色体）上。

B.2×4组合F2植株全表现抗潮霉素性状。假设株系1中H基因在染色体上的位置如图7所示，请推测株系2中H基因的位置和株系4中H基因的两种可能的位置（在图8中标注，竖线代表染色体，横线代表基因的位置）。

图7

图8

C.根据上述实验推测，利用农杆菌转化法导入到拟南芥中的基因的插入位置是______（随机／固定）的。

解析：纯合的转基因株系和非转基因植株正、反交得到的是F1杂合子，F1自交将产生性状分离，即F2中抗潮霉素性状与不抗潮霉素性状的植株比例为3∶1。

根据完全归纳可知，各株系的目的基因存在状况有三种可能：①一对同源染色体的相同位点；②一对同源染色体的不同位点；③两对同源染色体上。根据假设推理结果可知：位于两对同源染色体上的，会出现15∶1的分离比。否则，目的基因就在一对同源染色体的相同位点或不同位点。因此，株系2的目的基因与株系1的不在同一对染色体上，但和株系4的目的基因可能位于同源染色体的同一位点或不同位点（如图9所示）。

图9

这些不同结果，可以说明“利用农杆菌转化法导入到拟南芥中的基因的插入位置是随机的”。

但是，如果转基因植物获得了目的基因的双拷贝呢？情形又该如何呢？

三、双拷贝转基因植株中目的基因的位置分析

（一）建模

以下，为了分析方便，我们依然把位于不同位点的同种目的基因分别记作A（a）与B（b）。双拷贝的目的基因有以下四种可能，均有各自的遗传特点，如下所列。

1.位于同源染色体上的同一位点（等位基因位点）

遗传分析：此种情况下，转基因植物产生的配子中均含有目的基因，如果自交，子代不出现性状分离；如果与野生型杂交（测交），子代也均为转基因型。

2.位于同源染色体上的不同位点（如图10）

图10

遗传分析：此种情况下，如果配子产生过程中没有发生交叉互换，转基因植物产生的配子中均含有目的基因，自交子代也不会出现性状分离；如果与野生型杂交（测交），子代均为转基因型。

如果发生了交叉互换，转基因植物产生的配子有Ab、aB和AB、ab（少于1／4），则子代中将出现性状分离，野生型的比例会小于1／16；如果与野生型杂交（测交），子代会出现野生型，比例小于1／4。

3.位于同一条染色体上的不同位点（如图11）

图11

遗传分析：此种情况下，如果配子产生过程中没有交叉互换，子代出现性状分离（转基因∶野生型=3∶1），如果与野生型杂交（测交），子代均为转基因型∶野生型=1∶1。

如果发生了交叉互换，则自交子代中野生型的比例会小于1／4；如果与野生型杂交（测交），子代中野生型占比少于1／2。

4.位于两对同源染色体上（如图12）

图12

遗传分析：此种情况下，遵循自由组合定律，自交子代将会出现性状分离，其中野生型所占比例为1／16；如果与野生型杂交（测交），子代中野生型占1／4。

（二）例题分析（原题节选）

苏云金芽孢杆菌的CryIAC基因编码一种蛋白质，该蛋白可杀死鳞翅目昆虫。研究者将从苏云金芽孢杆菌细胞内获取CryIAC基因，将其导入普通玉米中，获得T0代植株。对T0植株进行PCR检测，结果如图13。并将鳞翅目昆虫接种（施放）于不同株系植株，筛选抗虫的阳性植株。

图13

将T0代2号植株与普通玉米杂交获得T1代，对T1代进行抗虫鉴定，结果发现抗虫玉米与非抗虫玉米的比值约为3∶1。推测导入的CryIAC基因位于______上，其遗传遵循______定律。T0代2号玉米自交，子代的性状及分离比为______。

假设一：T0代2号植株只是目的基因单拷贝。那么其产生的配子有两种（含有目的基因和不含目的基因），与普通玉米杂交获得T1代应该为“抗虫玉米与非抗虫玉米的比值约为1∶1”。这与已知矛盾，假设不成立。

假设二：T0代2号植株只是目的基因双拷贝，且位于一对同源染色体的相同位点。那么其产生的配子只有一种（含有目的基因），与普通玉米杂交获得T1代（杂合子）应该均为“抗虫玉米”。这与已知矛盾，假设不成立。

假设三：T0代2号植株只是目的基因双拷贝，且位于一对同源染色体的不同位点。那么其产生的配子均含有目的基因，与普通玉米杂交获得T1代应该均为“抗虫玉米”。这与已知矛盾，假设不成立。（如果考虑交叉互换，也不会出现1／4的“非抗虫玉米”）

假设四：T0代2号植株只是目的基因双拷贝，且位于通一条染色体的不同位点。那么其产生的配子有两种（含有目的基因和不含目的基因），与普通玉米杂交获得T1代应该为“抗虫玉米与非抗虫玉米的比值约为1∶1”。这与已知矛盾，假设不成立。（如果考虑交叉互换，也不会出现1／4的“非抗虫玉米”）

假设五：T0代2号植株只是目的基因双拷贝，且位于两对同源染色体上。按照自由组合定律，那么其产生的配子就有四种（含有两个目的基因：含有一个目的基因∶不含目的基因=1∶2∶1），与普通玉米杂交获得T1代应该为“抗虫玉米与非抗虫玉米的比值约为3∶1”。这与已知吻合，假设成立。

那么，有没有可能出现“三拷贝”甚至“四拷贝”的情况呢？理论上说，可能性极小，这里无法进行完全归纳。然而，题目中的问题就可以解答了：

将T0代2号植株与普通玉米杂交获得T1代，对T1代进行抗虫鉴定，结果发现抗虫玉米与非抗虫玉米的比值约为3∶1。推测导入的CryIAC基因位于两对同源染色体上，其遗传遵循基因的自由组合定律。T0代2号玉米自交，子代的性状及分离比为抗虫玉米：非抗虫玉米15∶1。

事实上，植物转基因领域应用较为成熟的转化方法包括基因枪法和农杆菌介导转化法两种。通常情况下外源基因被随机地插入植物基因组中，一般会在染色体上插入一个或多个外源基因拷贝。大量实验表明，多拷贝会造成转化植株出现外源基因表达沉默现象，只有插入单拷贝或双拷贝的外源基因才会在转基因植物中高水平表达。此外，对转基因育种行业，能筛选得到T0代外源基因单拷贝插入植株，将使后续外源基因mRNA及蛋白层面上的筛选更加可靠，同时也更有利于筛选得到稳定遗传的转基因纯合植株，加快植物育种进程。

由于所转基因是定位于细胞核的，因此，其会随着花粉的传播与非转基植物杂交，从而不利于原种的保护。为了防止“基因污染”，科学家尝试将目的基因导入叶绿体或线粒体，这样就会使得转基因性状呈现母系遗传的特点，也就是说，只有转基因的植物作为母本，才会产生转基因性状的后代，而花粉中不携带目的基因，自然也就不会影响到原种了。

综上所述，转基因过程与结果远不像我们所分析的问题那么简单。但是作为教师，依据这样的真实情境，引导学生在已有的认知基础上，进行比较与分类、归纳与演绎、分析与综合、抽象与概括等，去尝试分析解决复杂的真实问题，并培养学生的科学思维素养是非常必要的。