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五个遗传学实验的一次


五个遗传学实验的一次杂交试验设计

Five Genetic Experiments in One Crossing Test Chen Zongli
(Department of Biology, Yan’an University, Yan’an, Shanxi Province 716000)

在遗传学实验课教学中,有关遗传规律的验证性实验,例如分离规律、自由 组合规律、连锁与互换、伴性遗传及三点测交等 5 个实验,基本上都是以果蝇为 材料的杂交实验,它们是最基本的,也是最经典的。然而,在现行的所有遗传学 实验教材中,都要分别进行 5 次杂交设计实验,有的实验历时约 40 天。显然, 在有限的实验课教学, 采用传统的实验设计方法,是不能完全让学生掌握这些实 验知识的,这既造成了实验材料和时间的浪费,又不利于学生分析、思维能力的 培养,影响学生对遗传学基本规律和实验设计方法的深入理解。 在几年的教学实践中, 我们分析、采用一次杂交设计实验来完成上述 5 个实 验内容,取得了良好的教学效果。现将该实验设计、方法报道如下: 1 实验设计方法 1.1 实验设计特点 本实验是将果蝇的单因子实验、两对因子的自由组合、伴性遗传、基因的连 锁与互换及三点试验[1]这 5 个独立杂交实验所要完成内容,通过寻找内在联系, 设计成一次杂交实验来全部完成,具有融会贯通,事半功倍的效果。 1.2 实验原理 从所周知,相互区分的相对性状是由相对的等位基因决定的[4]。一次杂交所 涉及的基因是很多的,换言之,其杂交后代所提供的遗传信息是很多的。研究者 只是针对他所研究考察的一个或几个相对性状来分析这众多基因中相应的一个 或几个基因及其分离、组合与连锁情况,从中寻找相应的遗传规律。 在阐述原理时, 要引导学生牢牢把握住有关遗传规律的实质: 在杂交试验中, 配子形成和受精时染色体的行为跟基因的行为是一致的[2];在形成配子的减数分 裂过程中, 凡是同源染色体及其负载的等位基因间要彼此分离,非同源染色体及 其负载的非等位基因间要自由组合;位于性染色体上的基因遗传行为与性别有

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关; 四线期伴随着同源染色体的非姊妹染色单体间片段的交换,导致连锁群的等 位基因间要发生一定的重组; 重组值的大小跟基因间距离有关,据此可确定有关 连锁基因在染色体上的位置与排列顺序, 从而作出基因连锁图。 通过这样的分析, 使学生深刻认识到: 分离规律是讲同源染色体上等位基因的遗传法则;自由组合 规律是讲位于 n 对非同源染色体上的 n 对非等位基因间的遗传法则; 连锁与互换 规律是讲位于同一条染色体上非等位的连锁基因间的遗传法则; 性连锁则是讲位 于性染色体上的基因的遗传法则。 配子的形成都是以同源染色体和等位基因的分 离为基础的[3]。这些规律在杂交试验中不是孤立表现的,而是同时存在的。即许 多基因决定的许多性状的杂交后代要同时表现,研究者择其观察分析,即可发现 几个相应的遗传规律在起作用。这是本杂交试验设计的基础。 1.3 实验材料与杂交组合 材料:黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)的三隐性突变品质,即小翅 (minor) 、焦刚毛(singed) 、白眼(white) ,已知控制这 3 个性状的基因(m、 sn、w)都位于 X 染色体上;一隐性果蝇,即黑体(black) ,已知控制该性状的 基因 (b) 位于第 II 染色体上。 两亲本蝇其它的相应性状均为野生型, 即灰体 (+) 、 长翅、直刚毛、红眼(+++) 。具体交配组合定为:正交:灰体、小翅、焦刚毛、 白眼♂×黑体♀。反交:灰体、小翅、焦刚毛、白眼♀×黑体♂。 1.4 实验步骤 按刘祖洞等[1]的方法进行。 需要注意的是: 反交产生的 F1 不必取处女蝇即可 进行自交产生 F2;正交产生的 F1 必须取其中的处女蝇才可以进行测交产生 F2。 1.5 实验观察统计方法 由多因子杂种分析可知,我们所设计的 4 对基因的杂交(灰体、小翅、焦刚 毛、白眼×黑体、长翅、直刚毛、红眼,可简写为:灰、小、焦、白×黑、长、 直、红,后均用简写) ,因含有性染色体上的基因,故 F1 表型在正、反交间不一 致;但无论正、反交,F1 杂种形成的配子数等于 F2 的表型数等于(24)16 个[22]。 于是我们设计了观察记录表(表 1、表 2) 。按照实验步骤做好杂交组合,等 F1 和 F2 成蝇分别出现,则分别检查有关性状,每 2 天检查 1 次,分别检查 3 次, 将检查结果填写入表 1、表 2(要指导学生进行这种分析预测,以便观察记录时 心中有数;表中数字为我们的实验数据,供后边的分析验证用) 。

2

表 1 F1 表型观察记录表
表 型 ♀ 454 0 454 正交后代数目 ♂ 445 0 445 合 计 899 0 899 ♀ 548 0 548 反交后代数目 ♂ 0 502 205 合 计 548 502 1050

灰、长、红、直 灰、小、白、焦 总 计

表2
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 总计 ++++ + m w sn ++w+ + m+ sn
3 3

F2 表型观察记录表
反交得到的测交子代数 ♀ 174 201 56 55 4 4 49 29 54 64 18 17 2 1 14 10 752 ♂ 172 198 57 53 4 3 47 28 53 60 17 16 1 1 16 8 734 合计 346 399 113 108 8 7 96 57 107 124 35 33 3 2 30 18 1486 ♀ ♂ 66 65 61 65 60 62 64 63 合计 574 65 61 65 60 62 64 63 184 21 18 23 16 17 22 20 1335

表型数 (F1♀配子类型数)1


正交得到的测交子代数 508

+ + + sn3 +mw+ +m++ + + w sn3 b+++ b mw sn3 b+ w + bm + sn b++ sn3 bm w+ bm ++ b+w sn3 672
3

164

20 21 18 23 16 17 22 20 663

1)位于 X 染色体上的 3 个连锁基因(m、w、sn3)间交换后重组,而常染色体上的基因与 X 染色体上的基因自由组合。

2 实验结果的分析 2.1 分离规律的验证 此时,我们只考虑由常染色体上的一对等位基因(+/b)所控制的灰体与黑 体这对相对性状的遗传实验资料。于是据表 1、表 2 的资料整理(将其相应表型 栏的数据相加即可,如 F2 灰体是表 2 的 1-8 号之和,黑体是 9-16 号之和,以后 的数据整理同此法)得: 正交 F1 成蝇表型数目灰:黑=899:0;反交 F1 成蝇表型数目灰:黑=1050:0。 正交 F2 成蝇表型数目灰:黑=1014:321(X2=0.675) ;反交 F2 成蝇表型数目灰:黑 =1134:352(X2=1.296) 。由此可以看出,无论正、反交,F2 蝇则分离出灰体与黑 体,X2 检验(X20.05,df(1)=3.841)结果,正、反实验值与理论值的差异均不显著 (P>0.05) 说明实验结果符合 3: 的理论分离比例,即体色性状的遗传是符合分 , 1 离规律的。
3

2.2 自由组合规律的验证 此时,只考虑体色和翅形这两对相对性状的遗传实验资料。但注意,由于小翅 受 X 染色体上的基因(m)控制,所以正、反交结果不一样。在本实验中,正交试 验的结果是符合两对因子的自由组合假设的。 据表 1、表 2 的资料整理得:正交结果,F1 全是灰体长翅蝇,F2 则分离出灰体 的数目分别为 758、256、238 和 83,比例为 9.2:3.1:2.9:1。 20.05,df(3)=7.82), (X 其与理论分离比差异不显著(P>0.05),说明实验结果是符合 9:3:3:1 理论分离 比例的,即果蝇体色和翅形这两对相对性状的遗传符合自由组合规律。 2.3 伴性遗传规律的验证 此时, 只考虑红眼和白眼这对相对性状的遗传实验资料, 它们是由 X 染色体上 的基因(X+Xw)控制的性状,其中 X+对 XW 是显性。遗传图解分析见刘祖洞等 1) 。 于是,据表 1、表 2 的资料整理得:正交后代 F1 个体全是红眼,性比为 1:1.02; 反交后代 F1 个体中, 红眼全是雌蝇, 白眼全是雄蝇, 性比为 1.09: 20.05,df(1)=3.84], 1[X 正反交的实际性比均符合 1:1 的理论性比。而正交 F2 表型比例为 1.03 红♂:1 白 ♂:2.06 红♀,[X20.05,df(2)=5.99],其符合 1:1:2 理论比例;反交的 F2 表型比 例为 1 红♂:1.03 白♂:1.02 红♀:1.06 白♀[X20.05,df(2)=7.82],符合 1:1:1: 1 理论比例。总的实验结果符合伴性遗传的假设,即眼色这对性状是由 X 染色体上 的一对等位基因控制的(也可以分析翅形或刚毛的性状资料) 。 2.4 连锁与交换规律的验证 此时,只考虑分析位于 X 染色体上的小翅(m)和白眼(w)这两个连锁基因 所控制的性状的遗传实验资料,但需给学生分析指出的是雄果蝇连锁完全,没有交 换,因而只能用雌果蝇的重组值作为这两基因间的距离[1]。 根据表 1、表 2 资料整理得反交 F2 翅形和眼色的遗传实验结果,长红、小白、 长白、小红分别为 234、270、113 和 135,理论百分比相应为 32.7、32.7、17.3 和 17.3,X2=7.28。根据遗传学图记录,m 和 w 之间的重组值为 36.4%[5]。以此值为理 信论值,得重组型的理论百分率各为 34.6%÷2=17.3%,亲组型的理论百分率各为 (1-34.6%)÷2=32.7%。 重组值=
113 ? 135 ×100%=32.99%;标准差= 32.99(1 32.99) / 752?100% = 1.71% - 752

所以, 该实验的重组值为 32.99±1.71%, m 和 w 两连锁基因间的距离为 32.99 即

4

±1.71 个图距单位(X20.05,df(3)=7. 28) 。实验值与理论值的差异不显著(P>0.05) , 说明该实验测出的 m 与 w 两基因的连锁关系是可靠的。 2.5 三点测交的结果分析 此时,我们只考虑分析位于 X 染色体上的 3 个隐性基因(m、w、sn3)所控制 的翅形、眼色与刚毛这 3 个性状的遗传实验资料,图解分析见刘祖洞等[1]述。于是, 据表 1、2 的资料整理得表 3。 表 3 三点测交的实验结果分析
重组发生在 测交后代表型 观察数 比例(%) m-w +++ m w sn3 +w+ m + sn3 + + sn3 mw+ m++ + w sn3 总数 重组值(%) 453 65.7 523 148 19.4 141 11 1.3 9 126 13.5 75 1486 100 32.9 14.8 20.7 √ √ √ √ √ √ m-sn3 w-sn3

根据重组的计算[1],这 3 个基因的直线顺序是 m、sn3、w,于是作 3 个基因的连锁 图如图 1: m 14.8 sn3 35.5
图 1 m、sn 、w3 个基因的连锁图
3

20.7

w

遗传学实验的目的,一是对学生进行实验能力的培养,二是进行科学思维能力 的训练,使他们学会进行实验设计与操作,能预测、分析实验结果,以期取得实验 操作能力和科学思维方法双重训练的目的。 该实验设计, 基本操作全面, 综合性强, 涉及的基本理论面广;通过寻找基因与性状间内在的基本联系,将三大遗传定律及 有关规律的实验有机地结合在一起,1 次杂交实验就解决了原来的 5 次杂交实验所
5

在解决的问题。要成功的完成这个实验,就要求学生必须认真预习实验内容,切实 领会掌握实验原理和方法,严格按照实验步骤熟练操作,科学的观察、分析实验结 果。这既促使了学生对学过的理论知识的系统的本质理解,又提高了其实验设计、 观察、分析和综合解决问题的能力。如此的多维能力训练,事半功倍,大大增强了 学生实验的兴趣和责任心;同时,也对教师的教学能力提出了更高的要求;从而提 高了经典遗传学实验课的教学质量。

参考文献
[1]刘祖洞等,1987.遗传学实验(第二版) ,北京:高等教育出版社,14-41 [2]刘祖洞,1990.遗传学(上册,第二版),北京:高等教育出版社,22-23,71-72 [3]李汝祺,1985.发生遗传学(下册),北京:科学出版社,34-36 [4]周希澄等,1989.遗传学(第二版),北京:高等教育出版社,35-39 [5]T·H·摩尔根著(卢惠霖译),1959.基因论,北京:科学出版社,16-17.

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