指向科学思维的建模进阶练习——以两对基因在常染色体上的位置判断为例

梁光明

(广东省深圳市第二高级中学)

“科学思维”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、解决实际问题的思维习惯和能力。科学思维作为生物学科核心素养的主要内容,是形成生命观念的重要途径,也是科学探究的重要组成部分。高中生物中有关两对基因在常染色体上的位置判断问题比较复杂,学生在解答这一类问题时很困难。按“问题情境——建构模型——应用模型——形成解题思想——迁移应用”的程序进行进阶练习,不仅能有效突破这一难点,还能有效提升学生的科学思维能力。

1.规范解答基础题,奠定建模基石

正确理解和清晰记住相关基本概念和规律是正确判断两对基因在常染色体上位置的基础和前提,规范解答基础练习题可促进学生全面、深刻地理解基本概念,为建立解题模型奠定基础,学生先要解答以下5道基础习题(答案略)。

习题1.下列关于基因和染色体关系的表述,错误的是

( )

A.染色体是基因的主要载体

B.染色体是由基因组成的

C.一条染色体上有多个基因

D.基因在染色体上呈线性排列

习题2.以细胞中的两对同源染色体为例,画出哺乳动物精子形成过程的模式图。

习题3.如图1所示细胞中属于等位基因的有________,属于非等位基因的有_____________________________________________________。

图1

习题4.基因的分离定律的实质是________,基因的自由组合定律的实质是________。

习题5.已知表型为红花高茎、基因型为AaBb的某一植株,A和a基因分别控制红花和白花,B和b基因分别控制高茎和矮茎。两对基因在染色体上的分布位置有以下三种可能,如图2。据图回答下列问题:

A

(1)图B和图C中,两对等位基因在遗传时是否遵循基因的自由组合定律?__________,理由是_____________________________________________________。

(2)假设图A中两对基因在遗传时遵循基因的自由组合定律,请在图A内画出AaBb两对基因在染色体上的分布状态(画图并标注基因在染色体上的位置)。

通过基础练习引导学生思考基因在染色体上的分布,深入理解基因与染色体的关系,厘清等位基因、非等位基因,分离定律、自由组合定律等概念,将孟德尔第一、第二定律与减数分裂等知识紧密联系起来,为判断两对基因在常染色体上的位置奠定理论基础。

2.讨论中等难度题,建构“图解推理”解题模型

已知亲本的基因型和两对基因在染色体上的位置,预测后代的表型及其数量比的问题,需要综合运用孟德尔定律和减数分裂等知识来解答,对学生来说具有一定的思维难度。为了帮助学生厘清解题思路,在习题5的基础上拓展习题6,引导学生在解题过程中主动建构“将基因标注在染色体上,通过绘制遗传图解进行演绎推理”的解题模型(简称“图解推理”解题模型)。

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习题6.已知表型为红花高茎、基因型为AaBb的某一植株,A和a基因分别控制红花和白花,B和b基因分别控制高茎和矮茎。两对基因在染色体上的分布位置有以下三种可能,如图3。现有表型为白花矮茎的植株若干,为了通过杂交实验来探究上述红花高茎植株的两对基因在染色体上的位置属于图中情况中的哪一种(不考虑同源染色体之间的互换),某同学设计了如下实验:用上述红花高茎植株与白花矮茎植株进行杂交,观察并统计子一代植株的表型及其数量比。

A

(1)若子一代植株中出现________种表型,表型及其数量比为________,则基因在染色体上的分布状态如图A所示。

(2)若子一代植株中出现________种表型,表型及其数量比为________,则基因在染色体上的分布状态如图B所示。

(3)若子一代植株中出现________种表型,表型及其数量比为________,则基因在染色体上的分布状态如图C所示。

在解答习题6的过程中可能出现的错误:以基因型的形式书写遗传图解,不能直观地看到基因与染色体的关系,在头脑中又没有基因与染色体的关系模型,造成思维混乱,书写凌乱,得不到正确答案;将基因标注在染色体上绘制遗传图解时,因对染色体复制的本质和减数分裂过程中染色体的行为变化模糊,出现将一对等位基因标注在一条染色体的两条姐妹染色单体上的低级错误。

染色体复制的本质是DNA的复制,在没有基因突变和非同源染色体非姐妹染色单体之间互换的情况下,形成的两条姐妹染色单体上的基因是完全一样的;将基因准确地标注在染色体上之后,画出减数分裂过程模式图,可进一步理解减数分裂与孟德尔遗传规律的关系。有了这一直观的图解过程,扫除了认识模糊和空间想象力不够的障碍。再将这一过程予以迁移,规范绘画遗传图解(如图4),运用直观的图解进行演绎推理,就能轻松地预测子代的表型及其数量比(答案略)。

A

3.运用模型解答中高难度题,建立“假说—演绎”解题思想

习题7.现有4个小麦纯合品种,即抗锈病无芒、抗锈病有芒、感锈病无芒、感锈病有芒,已知抗锈病对感锈病为显性,无芒对有芒为显性,且这两对相对性状各由一对等位基因控制。若用上述四个品种组成两个杂交组合,使其F1均为抗锈病无芒,且这两个杂交组合的F2表型及其数量比完全一致。为实现前述目的,理论上亲本中控制这两对相对性状的两对等位基因必须位于________上。这两个杂交组合分别是________和________。

在解答此题时,首先根据“现有抗锈病无芒、抗锈病有芒、感锈病无芒、感锈病有芒4个小麦纯合品种”这一前提,选择双显纯合子(抗锈病无芒)和双隐纯合子(感锈病有芒)杂交;一显一隐纯合子(抗锈病有芒)和一隐一显纯合子(感锈病无芒)杂交,两个杂交组合都能使子一代均为抗锈病无芒。再根据题意设抗锈病、感锈病分别由基因A、a控制,无芒、有芒分别由B、b控制。这两对基因在染色体上的位置只有如图3的三种可能,据此提出三种假设,即亲本中控制两对相对性状的两对等位基因在染色体上的位置分别如图3中的A、B、C。然后分别按三种假设把基因标注在染色体上,规范画出两组杂交组合的遗传图解进行演绎推理,看哪一种假设的推导结果与题干要求的“F1均为抗锈病无芒,且这两个杂交组合的F2表型及其数量比完全一致”相符,即可确定这两对基因在染色体上的位置。(遗传图解略,答案为非同源染色体 纯合抗锈病无芒与感锈病有芒 纯合抗锈病有芒与纯合感锈病无芒)

4.运用“假说—演绎”解题思想解答高难度题

习题8.某雌雄同株异花植物花色产生机理:白色前体物质→黄色→红色,A基因(位于2号染色体上)控制黄色;B基因(位置不明)控制红色。用纯种白花和纯种黄花杂交得F1,F1自交得F2,实验结果见下表甲组。

组别甲乙亲本黄花×白花黄花×白花F1红花红花F2红花∶黄花∶白花=9∶3∶4红花∶黄花∶白花=3∶1∶4

(1)甲组亲本的基因型分别为_____________________________________________________。

(2)根据表中甲组实验结果,推知B基因________(填“是”或“不是”)位于2号染色体上。

(3)研究人员再次重复该实验,结果如表中乙组所示。经检测得知,乙组F1的2号染色体部分缺失,导致含缺失染色体的雄配子死亡。由此推测乙组F1的2号染色体缺失部分________(填“包含”或“不包含”)A或a基因,发生染色体缺失的是________(填“A”或“a”)基因所在的2号染色体。

习题8是让学生根据后代的表型及其数量比推导亲本的基因型和基因在染色体上的位置。根据甲组的F1全是红花,F1自交得到的F2的表型及其数量比为红花∶黄花∶白花=9∶3∶4,得出F2的表型数量比例之和为16,说明控制花色的两对基因的遗传遵循基因的自由组合定律,从而推导出F1的基因型为AaBb,且两对基因分别位于两对同源染色体上,所以B基因不是位于2号染色体上。亲本为纯合子,则黄花亲本的基因型应为AAbb,白花亲本的基因型应为aabb或aaBB,再根据F1的基因型为AaBb,即可推导出甲组亲本的基因型为AAbb,aaBB。第(3)小题,因涉及了染色体缺失和雄配子死亡而变得异常复杂。对于通过进阶练习在头脑中形成了“假说—演绎”解题思想的学生来说,可运用“图解推理”模型进行解答。解答第1空时,假设乙组F1的2号染色体缺失部分包含A基因,根据减数分裂过程图和基因与染色体关系图可推导出若F1自交产生的雌配子和雄配子都不含有A基因,F2中就不可能有黄花和红花个体,与乙组实验“F2的表型及其数量比为红花∶黄花∶白花=3∶1∶4”的结果不符;再假设乙组F1的2号染色体缺失部分包含a基因,则根据减数分裂可推导出F1自交产生的雌配子种类及其数量比为AB∶Ab∶B∶b=1∶1∶1∶1,根据“2号染色体部分缺失,导致含缺失染色体的雄配子死亡”,推导出雄配子的种类及其数量比为AB∶Ab=1∶1,雌雄配子随机结合,F2的表型及其数量比为红花∶黄花=3∶1,也与乙组实验结果不符,所以乙组F1的2号染色体缺失部分不包含A或a基因。对于第2空,同样可假设发生染色体缺失的是A基因所在的2号染色体,则F1自交产生的雌配子种类及其数量比为AB∶Ab∶aB∶ab=1∶1∶1∶1,雄配子种类及其数量比为aB∶ab=1∶1,雌雄配子随机结合,F2的表型及其数量比为红花∶黄花∶白花=3∶1∶4,与乙组实验结果相符;再假设发生染色体缺失的是a基因所在的2号染色体,则F1自交产生的雌配子种类及其数量比为AB∶Ab∶aB∶ab=1∶1∶1∶1,雄配子种类及其数量比为AB∶Ab=1∶1,雌雄配子随机结合,F2的表型及其数量比为红花∶黄花=3∶1,与乙组实验结果不符。所以发生染色体缺失的是A基因所在的2号染色体。

进阶练习中学生通过分析比较、归纳总结、演绎推理等思维活动,拾级而上,建构解题模型,形成解题思想,迁移应用解题思想解决问题,在这一系列的活动中很好地培养了学生的科学思维能力。