基于科學思維的轉基因植物遺傳特點分析

北京市昌平區(qū)第一中學 周有祥 李英芳 張雙鳳北京市昌平區(qū)第二中學 石雪飛

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，“科學思維”是生物學學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，它是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法認識事物、解決問題的思維習慣和能力。

利用農桿菌轉化法，可以將目的基因整合到受體的染色體DNA上，這樣為轉基因性狀的穩(wěn)定遺傳奠定了基礎。但是，由于此過程中存在著很多不確定的因素，因此，會體現出轉基因植物的不同遺傳特點。教師基于這些生物學事實和證據，運用歸納和概括、演繹與推理、模型與建模、創(chuàng)造性思維等方法引導學生學習，有利于培養(yǎng)學生的科學思維。

一、建立基本的遺傳模型

（一）基于基因與染色體關系建模

對轉基因植物來說，由于導入的目的基因是外源基因，所以，如果目的基因單拷貝的轉基因植物出現轉基因性狀，則可以把轉基因植物看作雜合子，也就是說轉入的當作“顯性基因”，而原有位點可以看成隱性基因，如圖1所示。

圖1

（二）基于模型的遺傳分析

按照基因的分離定律進行分析，如果該植物自交將會出現3∶1的性狀分離比。如果轉基因植物與野生型雜交，子代將會出現轉基因性狀與野生型性狀之比為1∶1。

但是，同樣是單拷貝的不同轉基因植物，其所轉基因往往并不在同一個位置，如何確定不同轉基因植株所轉目的基因的位置呢？下面，根據假說演繹和完全歸納法進行分析。

二、單拷貝轉基因植株中目的基因的位置分析

如果甲乙均為目的基因單拷貝的轉基因植株，那么目的基因存在的狀況就有三種可能性：①目的基因轉移到了一對同源染色體的相同位點；②目的基因轉移到了一對同源染色體的不同位點；③目的基因轉移到了兩對同源染色體上。我們可以按照如下相應的三種假設進行分析。

1.假設一：目的基因轉移到了一對同源染色體的相同位點，其模型如圖2所示。

圖2

那么兩種植株都可以看成Aa，沒什么兩樣。依據基因的分離定律，兩種植株分別可以產生兩種配子。

演繹推理：甲乙雜交結果與各自自交結果相同，均出現3∶1性狀分離比。甲乙分別與野生型雜交（測交），子代轉基因性狀與非轉基因性狀之比為1∶1。

2.假設二：目的基因轉移到了一對同源染色體的不同位點，如圖3。

圖3

為了分析方便，我們把位于不同位點的同種目的基因分別記作A（a）與B（b）。這樣，甲、乙的基因型就可以寫成Aabb和aaBb，根據分離定律和是否完全連鎖，可以進行如下推理：

演繹推理1：甲乙雜交子代（F1）的基因型和表現型為：AaBb（轉基因型）、Aabb（轉基因型）、aaBb（轉基因型）、aabb（野生型），如圖4。

圖4

演繹推理2：如果將子代（F1）分別單株自交，則F2會出現以下幾種情況。

（1）F1為aabb（野生型），其產生的配子均為ab，則F2全為野生型；（2）F1為Aabb（轉基因）、aaBb（轉基因），其產生的配子分別為Ab／ab、aB／ab，則其F2均為轉基因∶野生型=3∶1；（3）F1為AaBb（轉基因），如果不考慮交叉互換，其產生的配子為Ab／aB，則其F2均為轉基因型；如果考慮交叉互換，其產生的配子為Ab／aB（分別超過1／4）、AB／ab（分別低于1／4），則其F2中會出現少量野生型，但一般低于1／16。

演繹推理3：如果將子代（F1）中的轉基因類型分別與野生型雜交（測交），則會出現以下測交結果。

（1）F1為Aabb（轉基因）、aaBb（轉基因），測交結果為轉基因∶野生型=1∶1；（2）F1為AaBb（轉基因），如果不考慮交叉互換，則其測交子代均為轉基因型；如果考慮交叉互換，則其測交子代中會出現少量野生型，但一般低于1／4。

3.假設三：目的基因轉移到了兩對同源染色體上，如圖5。

圖5

為了分析方便，我們依然把位于不同位點的同種目的基因分別記作A（a）與B（b）。這樣，甲、乙的基因型就可以寫成Aabb和aaBb，根據基因的自由組合定律，可以分析出甲產生的配子是Ab、ab，乙產生的配子是aB、ab。

演繹推理1：甲乙雜交子代（F1）的基因型和表現型為AaBb（轉基因）、Aabb（轉基因）、aaBb（轉基因）、aabb（野生型），如圖6。

圖6

演繹推理2：如果將子代（F1）分別單株自交，則F2會出現以下幾種情況。

（1）F1為aabb（野生型），則F2全為野生型；

（2）F1為Aabb（轉基因）、aaBb（轉基因），則其F2均為轉基因∶野生型=3∶1；

（3）F1為AaBb（轉基因），則其F2中轉基因∶野生型=15∶1。

演繹推理3：如果將子代（F1）中的轉基因類型分別與野生型雜交（測交），則會出現以下測交結果。

（1）F1為Aabb（轉基因）、aaBb（轉基因），測交結果為轉基因∶野生型=1∶1；

（2）F1為AaBb（轉基因），測交結果為轉基因∶野生型=3∶1。

4.例題分析（原題節(jié)選）

科研工作者從農桿菌中獲得帶有潮霉素抗性基因（H基因）的Ti質粒，將抗逆基因插入到Ti質粒的TDNA上，再利用農桿菌轉化法，將抗逆基因轉入至擬南芥（2n=10）中，獲得不同株系的擬南芥。

為確定不同擬南芥株系導入的基因在染色體上的相對位置，科研人員篩選并通過自交獲得轉基因成功的4個純合株系：1、2、3、4，做了如下雜交實驗。

①4個純合株系植株分別與非轉基因植株正、反交得F1，F1自交獲得F2。F2中抗潮霉素性狀與不抗潮霉素性狀的植株比例為______，表明每個株系的H基因均穩(wěn)定的存在，但不能確定4個株系的H基因是否位于同一對同源染色體上。

②將上述4個純合株系植株間進行配組形成6個雜交組合（1×2、1×3、1×4、2×3、2×4、3×4），每個組合得F1，F1自交獲得F2。

A.除2×4組合外，其他雜交組合F2中抗潮霉素性狀與不抗潮霉素性狀的植株比例均為15∶1，表明1、2、3三個株系相比較，它們的H基因位于______（同源染色體／非同源染色體）上。

B.2×4組合F2植株全表現抗潮霉素性狀。假設株系1中H基因在染色體上的位置如圖7所示，請推測株系2中H基因的位置和株系4中H基因的兩種可能的位置（在圖8中標注，豎線代表染色體，橫線代表基因的位置）。

圖7

圖8

C.根據上述實驗推測，利用農桿菌轉化法導入到擬南芥中的基因的插入位置是______（隨機／固定）的。

解析：純合的轉基因株系和非轉基因植株正、反交得到的是F1雜合子，F1自交將產生性狀分離，即F2中抗潮霉素性狀與不抗潮霉素性狀的植株比例為3∶1。

根據完全歸納可知，各株系的目的基因存在狀況有三種可能：①一對同源染色體的相同位點；②一對同源染色體的不同位點；③兩對同源染色體上。根據假設推理結果可知：位于兩對同源染色體上的，會出現15∶1的分離比。否則，目的基因就在一對同源染色體的相同位點或不同位點。因此，株系2的目的基因與株系1的不在同一對染色體上，但和株系4的目的基因可能位于同源染色體的同一位點或不同位點（如圖9所示）。

圖9

這些不同結果，可以說明“利用農桿菌轉化法導入到擬南芥中的基因的插入位置是隨機的”。

但是，如果轉基因植物獲得了目的基因的雙拷貝呢？情形又該如何呢？

三、雙拷貝轉基因植株中目的基因的位置分析

（一）建模

以下，為了分析方便，我們依然把位于不同位點的同種目的基因分別記作A（a）與B（b）。雙拷貝的目的基因有以下四種可能，均有各自的遺傳特點，如下所列。

1.位于同源染色體上的同一位點（等位基因位點）

遺傳分析：此種情況下，轉基因植物產生的配子中均含有目的基因，如果自交，子代不出現性狀分離；如果與野生型雜交（測交），子代也均為轉基因型。

2.位于同源染色體上的不同位點（如圖10）

圖10

遺傳分析：此種情況下，如果配子產生過程中沒有發(fā)生交叉互換，轉基因植物產生的配子中均含有目的基因，自交子代也不會出現性狀分離；如果與野生型雜交（測交），子代均為轉基因型。

如果發(fā)生了交叉互換，轉基因植物產生的配子有Ab、aB和AB、ab（少于1／4），則子代中將出現性狀分離，野生型的比例會小于1／16；如果與野生型雜交（測交），子代會出現野生型，比例小于1／4。

3.位于同一條染色體上的不同位點（如圖11）

圖11

遺傳分析：此種情況下，如果配子產生過程中沒有交叉互換，子代出現性狀分離（轉基因∶野生型=3∶1），如果與野生型雜交（測交），子代均為轉基因型∶野生型=1∶1。

如果發(fā)生了交叉互換，則自交子代中野生型的比例會小于1／4；如果與野生型雜交（測交），子代中野生型占比少于1／2。

4.位于兩對同源染色體上（如圖12）

圖12

遺傳分析：此種情況下，遵循自由組合定律，自交子代將會出現性狀分離，其中野生型所占比例為1／16；如果與野生型雜交（測交），子代中野生型占1／4。

（二）例題分析（原題節(jié)選）

蘇云金芽孢桿菌的CryIAC基因編碼一種蛋白質，該蛋白可殺死鱗翅目昆蟲。研究者將從蘇云金芽孢桿菌細胞內獲取CryIAC基因，將其導入普通玉米中，獲得T0代植株。對T0植株進行PCR檢測，結果如圖13。并將鱗翅目昆蟲接種（施放）于不同株系植株，篩選抗蟲的陽性植株。

圖13

將T0代2號植株與普通玉米雜交獲得T1代，對T1代進行抗蟲鑒定，結果發(fā)現抗蟲玉米與非抗蟲玉米的比值約為3∶1。推測導入的CryIAC基因位于______上，其遺傳遵循______定律。T0代2號玉米自交，子代的性狀及分離比為______。

假設一：T0代2號植株只是目的基因單拷貝。那么其產生的配子有兩種（含有目的基因和不含目的基因），與普通玉米雜交獲得T1代應該為“抗蟲玉米與非抗蟲玉米的比值約為1∶1”。這與已知矛盾，假設不成立。

假設二：T0代2號植株只是目的基因雙拷貝，且位于一對同源染色體的相同位點。那么其產生的配子只有一種（含有目的基因），與普通玉米雜交獲得T1代（雜合子）應該均為“抗蟲玉米”。這與已知矛盾，假設不成立。

假設三：T0代2號植株只是目的基因雙拷貝，且位于一對同源染色體的不同位點。那么其產生的配子均含有目的基因，與普通玉米雜交獲得T1代應該均為“抗蟲玉米”。這與已知矛盾，假設不成立。（如果考慮交叉互換，也不會出現1／4的“非抗蟲玉米”）

假設四：T0代2號植株只是目的基因雙拷貝，且位于通一條染色體的不同位點。那么其產生的配子有兩種（含有目的基因和不含目的基因），與普通玉米雜交獲得T1代應該為“抗蟲玉米與非抗蟲玉米的比值約為1∶1”。這與已知矛盾，假設不成立。（如果考慮交叉互換，也不會出現1／4的“非抗蟲玉米”）

假設五：T0代2號植株只是目的基因雙拷貝，且位于兩對同源染色體上。按照自由組合定律，那么其產生的配子就有四種（含有兩個目的基因：含有一個目的基因∶不含目的基因=1∶2∶1），與普通玉米雜交獲得T1代應該為“抗蟲玉米與非抗蟲玉米的比值約為3∶1”。這與已知吻合，假設成立。

那么，有沒有可能出現“三拷貝”甚至“四拷貝”的情況呢？理論上說，可能性極小，這里無法進行完全歸納。然而，題目中的問題就可以解答了：

將T0代2號植株與普通玉米雜交獲得T1代，對T1代進行抗蟲鑒定，結果發(fā)現抗蟲玉米與非抗蟲玉米的比值約為3∶1。推測導入的CryIAC基因位于兩對同源染色體上，其遺傳遵循基因的自由組合定律。T0代2號玉米自交，子代的性狀及分離比為抗蟲玉米：非抗蟲玉米15∶1。

事實上，植物轉基因領域應用較為成熟的轉化方法包括基因槍法和農桿菌介導轉化法兩種。通常情況下外源基因被隨機地插入植物基因組中，一般會在染色體上插入一個或多個外源基因拷貝。大量實驗表明，多拷貝會造成轉化植株出現外源基因表達沉默現象，只有插入單拷貝或雙拷貝的外源基因才會在轉基因植物中高水平表達。此外，對轉基因育種行業(yè)，能篩選得到T0代外源基因單拷貝插入植株，將使后續(xù)外源基因mRNA及蛋白層面上的篩選更加可靠，同時也更有利于篩選得到穩(wěn)定遺傳的轉基因純合植株，加快植物育種進程。

由于所轉基因是定位于細胞核的，因此，其會隨著花粉的傳播與非轉基植物雜交，從而不利于原種的保護。為了防止“基因污染”，科學家嘗試將目的基因導入葉綠體或線粒體，這樣就會使得轉基因性狀呈現母系遺傳的特點，也就是說，只有轉基因的植物作為母本，才會產生轉基因性狀的后代，而花粉中不攜帶目的基因，自然也就不會影響到原種了。

綜上所述，轉基因過程與結果遠不像我們所分析的問題那么簡單。但是作為教師，依據這樣的真實情境，引導學生在已有的認知基礎上，進行比較與分類、歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括等，去嘗試分析解決復雜的真實問題，并培養(yǎng)學生的科學思維素養(yǎng)是非常必要的。