高校《遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)》中果蠅實(shí)驗(yàn)綜述

趙豐蘭 段永波 薛濤

摘要 對高校《遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程中有關(guān)果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的綜合化研究、培養(yǎng)條件及果蠅飼養(yǎng)中的問題進(jìn)行了綜述分析。

關(guān)鍵詞 經(jīng)典遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)；果蠅培養(yǎng)；綜述

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2018）03-089-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.03.037

Abstract The comprehensive study on the setting of drosophila hybridization experiment project， culture conditions and problems in breeding of drosophila in the "genetics experiment" course were reviewed and analyzed.

Key words Classical genetics experiment； Drosophila culture； Review

遺傳學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性極強(qiáng)的學(xué)科，需通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對遺傳學(xué)規(guī)律進(jìn)行解釋或驗(yàn)證。因此，《遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)》作為生物和醫(yī)學(xué)等專業(yè)本科生的專業(yè)核心課程，在相關(guān)高校中普遍開設(shè)。課程目的為通過實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對遺傳學(xué)理論知識(shí)的掌握和補(bǔ)充，提高實(shí)驗(yàn)操作技能和科研素養(yǎng)[1]。經(jīng)過多年實(shí)踐，遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容通常包括從個(gè)體水平理解遺傳學(xué)原理的經(jīng)典遺傳學(xué)模塊、從細(xì)胞水平理解染色體基礎(chǔ)模塊以及從分子生物學(xué)水平理解遺傳機(jī)制的分子實(shí)驗(yàn)?zāi)K[2]，讓學(xué)生能從個(gè)體、細(xì)胞和分子不同層次理解遺傳的本質(zhì)。

自現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)生物學(xué)奠基人摩爾根利用果蠅作為實(shí)驗(yàn)材料發(fā)現(xiàn)“連鎖與互換定律”以來，果蠅以其體型小、繁殖系數(shù)高、染色體數(shù)目少等優(yōu)點(diǎn)[3]在遺傳學(xué)教學(xué)和研究中得到廣泛應(yīng)用。通過對多個(gè)高校《遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)大綱》的分析，發(fā)現(xiàn)以果蠅為實(shí)驗(yàn)材料的經(jīng)典遺傳和細(xì)胞遺傳部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為該課程的必設(shè)內(nèi)容[4]。結(jié)合前人研究進(jìn)展以及淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遺傳學(xué)教研組對課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者對果蠅在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用及果蠅養(yǎng)殖技術(shù)優(yōu)化研究進(jìn)行了綜述，以期為該課程的教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)果蠅材料的培養(yǎng)準(zhǔn)備提供參考。

1 果蠅在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及改進(jìn)

在經(jīng)典遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中，第一個(gè)開設(shè)的以果蠅為材料的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為“果蠅的性狀、生活史觀察及飼養(yǎng)”。該實(shí)驗(yàn)旨在引導(dǎo)學(xué)生“認(rèn)識(shí)”果蠅，了解其生活史及飼養(yǎng)管理方法，能鑒別果蠅的雌雄，觀察記錄野生型及突變型性狀。自上世紀(jì)中后期起，關(guān)于果蠅采集、飼養(yǎng)與觀察的論文陸續(xù)發(fā)表[5-7]。提出在夏秋季節(jié)，將腐爛的香蕉、蘋果、桃子或發(fā)酵面團(tuán)等誘餌放入空瓶中，然后放置于垃圾箱或發(fā)酵車間等果蠅棲息地，即可短時(shí)間內(nèi)容收集大量果蠅。帶回實(shí)驗(yàn)室后用乙醚麻醉，在放大鏡或顯微鏡下區(qū)分野生型和突變體，同時(shí)將雌蠅和雄蠅分開。繁殖后即可用于本科生果蠅飼養(yǎng)與觀察實(shí)驗(yàn)，需要觀察野生型和突變體的翅型、體色和眼色，能區(qū)分雌性與雄性果蠅。

在此基礎(chǔ)上開展“果蠅單因子雜交實(shí)驗(yàn)”和“果蠅雙因子雜交實(shí)驗(yàn)”，分別驗(yàn)證孟德爾分離規(guī)律和自由組合規(guī)律，同時(shí)讓學(xué)生掌握果蠅的雜交技術(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的卡方檢驗(yàn)（Chi square test）。通常采用灰體果蠅與黑檀體果蠅進(jìn)行雜交驗(yàn)證分離規(guī)律，灰體長翅果蠅與黑檀體殘翅果蠅雜交驗(yàn)證自由組合規(guī)律。但在實(shí)驗(yàn)中會(huì)發(fā)現(xiàn)，果蠅的正交與反交結(jié)果差別會(huì)很大，所以采用“果蠅的伴性遺傳實(shí)驗(yàn)”讓學(xué)生掌握伴性遺傳的特點(diǎn)。通過“果蠅的三點(diǎn)測交實(shí)驗(yàn)”學(xué)會(huì)遺傳學(xué)圖的原理和方法，學(xué)會(huì)計(jì)算性狀間的遺傳距離。由于這4個(gè)實(shí)驗(yàn)都涉及果蠅雜交，且每次果蠅雜交都需要5周時(shí)間才能觀察統(tǒng)計(jì)結(jié)果，所以各高校遺傳教研室都在構(gòu)建果蠅雜交實(shí)驗(yàn)綜合體系。馬沛勤等[8]采用短翅、焦剛毛、白眼、灰體果蠅和長翅、直剛毛、紅眼、黑檀體果蠅為雜交實(shí)驗(yàn)親本，按實(shí)驗(yàn)小組模式構(gòu)建果蠅雜交的綜合實(shí)驗(yàn)，在5周時(shí)間內(nèi)即完成了分離規(guī)律、自由組合規(guī)律、伴性遺傳規(guī)律以及連鎖互換規(guī)律的驗(yàn)證，并且將原來單一驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)豐富成集驗(yàn)證、設(shè)計(jì)、綜合、探索一體的雜交實(shí)驗(yàn)。各小組需自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選擇實(shí)驗(yàn)材料，且最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，以此提高了學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力。趙燕等[9]針對果蠅雜交實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多、周期長的問題，對果蠅經(jīng)典遺傳實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行了整合，改變傳統(tǒng)的單一課堂實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｔ谠撃K中設(shè)置了2次課堂實(shí)驗(yàn)（8學(xué)時(shí)），將實(shí)驗(yàn)室全天開放，讓學(xué)生按照自己時(shí)間點(diǎn)自覺完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，教師則起到督促作用。在課后考評時(shí)，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、結(jié)果等進(jìn)行綜合考慮，激發(fā)了學(xué)習(xí)主動(dòng)性，收到了良好的教學(xué)效果。齊璐璐等[10]以純種長翅紅眼直剛毛雌雄果蠅和純種殘翅白眼焦剛毛雌雄果蠅為實(shí)驗(yàn)材料，讓學(xué)生組成小組獨(dú)自設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)和答疑。通過2種實(shí)驗(yàn)材料的正交和反交成功研制了驗(yàn)證分離規(guī)律、伴性遺傳和連鎖互換規(guī)律。大幅精簡了經(jīng)典遺傳學(xué)教學(xué)時(shí)數(shù)，同時(shí)提高了教學(xué)效率和學(xué)生分析解決問題的能力。這些改進(jìn)將驗(yàn)證遺傳學(xué)三大定律的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)融合，且讓學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)，較好地解決了當(dāng)前有關(guān)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)典遺傳學(xué)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)部分比重偏高的問題[11-12]，將更多學(xué)時(shí)投入到分子和群體遺傳部分。

細(xì)胞遺傳學(xué)部分主要開展“果蠅唾腺染色體制片技術(shù)”實(shí)驗(yàn)，掌握唾腺的分離及唾腺染色體標(biāo)本制作，觀察多線染色體的形態(tài)特征。該實(shí)驗(yàn)在細(xì)胞操作方面要求較高，王轉(zhuǎn)斌[13]報(bào)道了高校制備果蠅唾液腺染色體關(guān)鍵步驟，包括選擇個(gè)體肥大的3齡幼蟲、清洗幼蟲去雜以及適當(dāng)?shù)柠}酸和秋水仙素處理。薛小橋等[14]在壓片前通過“推動(dòng)”讓染色體臂伸展至理想狀態(tài)，通過增加這一簡單操作獲得染色體臂完好的片子。余玲[15]在唾腺分離后去雜部分進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)加入一滴0.2 mol/L的鹽酸解離后，很容易分離得到干凈的唾腺，制出清晰干凈的片子。為學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作中觀察清晰的染色體形態(tài)特征，提高實(shí)驗(yàn)成功率提供了很好的參考。

2 果蠅培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件優(yōu)化

鑒于果蠅在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要作用，諸多教研組在果蠅培養(yǎng)基和生長條件方面開展了大量研究。果蠅培養(yǎng)基組成通常包括水、蔗糖、瓊脂、正丙酸、酵母粉和主料，其中蔗糖用于提供碳源和能源，瓊脂為培養(yǎng)基固化劑，正丙酸能維持培養(yǎng)基后期的潔凈，酵母粉用于催化主要發(fā)酵。當(dāng)前關(guān)于培養(yǎng)基的優(yōu)化主要集中在主料和糖源的選擇上，蔡梅紅等[16]測試了麩皮、香蕉和玉米粉為主要原料對果蠅生長的影響，發(fā)現(xiàn)玉米粉或香蕉配制的培養(yǎng)基隨著培養(yǎng)時(shí)間延長逐漸會(huì)出現(xiàn)黏液或干縮的情況，之后會(huì)出現(xiàn)果蠅死亡現(xiàn)象，而麩皮培養(yǎng)基則能是果蠅生長良好。培養(yǎng)基成本核算結(jié)果表明，每100 ml培養(yǎng)基成本為玉米粉培養(yǎng)基為0.059元、麩皮培養(yǎng)基為0.041元、香蕉培養(yǎng)基為0.079元。綜合考慮，作出麩皮為主料制備果蠅培養(yǎng)基的結(jié)論。鄧接樓等[17]則從繁殖系數(shù)、雌雄比例、變異果蠅數(shù)量和體型大小方面探究了不同主料培養(yǎng)基對果蠅生長的影響。發(fā)現(xiàn)不同主料培養(yǎng)基對果蠅生活史影響不大，均為8～9 d；F1代數(shù)量為玉米粉 >土豆 >面粉>香蕉，F(xiàn)2代數(shù)量為則為玉米粉>香蕉>面粉>土豆。香蕉和土豆培養(yǎng)基在F1和F2代中雌雄比例都接近于1∶1，有助于穩(wěn)定果蠅的種群發(fā)展。香蕉和面粉培養(yǎng)基中出現(xiàn)了變異果蠅，在一定程度上豐富了果蠅種類，為果蠅的遺傳學(xué)研究提供了一個(gè)思路。故認(rèn)為，幾種主料各有利弊，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇適合主料。彭曉云等[18]調(diào)整同一主料的不同比例，獲得了適合果蠅留種、雜交分析和染色體分析的配方。此外，還有學(xué)者探討其他添加劑對果蠅生長的影響，如荸薺汁[19]、刺梨原汁[20]、蘿卜[21]等，這些輔料都一定程度地改進(jìn)了果蠅的培養(yǎng)效果。

除培養(yǎng)基外，果蠅生長還受到溫度、濕度和空間等條件的影響。彭曉云等[18]設(shè)置4種溫度培養(yǎng)果蠅，發(fā)現(xiàn)13℃時(shí)壽命最短，23℃繁殖量最大，但在17℃條件下能獲得生長最快的幼蠅。用于雜交實(shí)驗(yàn)的處女蠅培養(yǎng)蠅在23℃，核型分析在17℃較為合適。胡甘[22]采用交替溫度培養(yǎng)法，在25℃進(jìn)行果蠅繁殖產(chǎn)卵，16～18℃培養(yǎng)幼蟲，成功獲得適合果蠅唾腺染色體觀察的實(shí)驗(yàn)材料。李佳琳等[23]對野生黑腹果蠅的培養(yǎng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)野生黑腹果蠅最適培養(yǎng)溫度為 25～28℃。楊紅彥等[24]分析了相對濕度對果蠅生長的影響，認(rèn)為相對濕度應(yīng)在40%，過高會(huì)顯著縮短果蠅壽命，而過低則容易導(dǎo)致培養(yǎng)基污染，且雌果蠅壽命顯著長于雄果蠅。彭曉云等[18]對果蠅培養(yǎng)瓶進(jìn)行了選擇優(yōu)化，提出保種時(shí)使用平底玻璃指管，而培養(yǎng)處女蠅和幼蟲時(shí)用罐頭瓶效果較好。

3 實(shí)驗(yàn)果蠅培養(yǎng)的關(guān)鍵問題

雖然果蠅繁殖系數(shù)很高，但培養(yǎng)過程中需要解決培養(yǎng)基污染和保種等問題。針對培養(yǎng)基污染問題，馮航[25]認(rèn)為對已經(jīng)發(fā)霉的培養(yǎng)基，在具有備用種時(shí)可以將其淘汰，若僅此一瓶，則采用75%酒精殺滅果蠅攜帶霉孢子，然后將果蠅轉(zhuǎn)移至新培養(yǎng)基，重復(fù)5～6次即可獲得潔凈的果蠅。

王轉(zhuǎn)斌[13]研究了果蠅保種過程中的關(guān)鍵問題及解決辦法：（1）培養(yǎng)基過干時(shí)可用無菌枕頭注射溶于無菌水的酵母粉，增加培養(yǎng)基濕度且有利于果蠅獲得營養(yǎng)，培養(yǎng)基過濕時(shí)刻插入無菌紙片吸水；（2） 酵母用量較大時(shí)使培養(yǎng)基發(fā)酵過快，產(chǎn)氣過多，培養(yǎng)基會(huì)出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，需要在實(shí)驗(yàn)前優(yōu)化酵母用量；（3） 棉塞感染問題，與培養(yǎng)瓶得不到良好通風(fēng)有關(guān)，應(yīng)經(jīng)常打開培養(yǎng)箱觀察，且在轉(zhuǎn)接前將原瓶瓶口用酒精消毒。對高校而言，夏季高溫時(shí)節(jié)正是暑假階段，此時(shí)果蠅培養(yǎng)需要更為仔細(xì)。跟蹤檢查溫度、培養(yǎng)基濕度和果蠅生長情況極為重要。王轉(zhuǎn)斌[26]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，選用更細(xì)的20目玉米粉配制的培養(yǎng)基相對松軟，有利于果蠅生長，同時(shí)提高丙酸用量，更好地維持培養(yǎng)基的潔凈環(huán)境。

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責(zé)任編輯：劉赟