基于科學(xué)思維的轉(zhuǎn)基因植物遺傳特點(diǎn)分析

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

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，“科學(xué)思維”是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，它是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決問題的思維習(xí)慣和能力。

利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，可以將目的基因整合到受體的染色體DNA上，這樣為轉(zhuǎn)基因性狀的穩(wěn)定遺傳奠定了基礎(chǔ)。但是，由于此過程中存在著很多不確定的因素，因此，會(huì)體現(xiàn)出轉(zhuǎn)基因植物的不同遺傳特點(diǎn)。教師基于這些生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)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(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

一、建立基本的遺傳模型

（一）基于基因與染色體關(guān)系建模

對(duì)轉(zhuǎn)基因植物來說，由于導(dǎo)入的目的基因是外源基因，所以，如果目的基因單拷貝的轉(zhuǎn)基因植物出現(xiàn)轉(zhuǎn)基因性狀，則可以把轉(zhuǎn)基因植物看作雜合子，也就是說轉(zhuǎn)入的當(dāng)作“顯性基因”，而原有位點(diǎn)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(jìn)行分析，如果該植物自交將會(huì)出現(xiàn)3∶1的性狀分離比。如果轉(zhuǎn)基因植物與野生型雜交，子代將會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)基因植物，其所轉(zhuǎn)基因往往并不在同一個(gè)位置，如何確定不同轉(zhuǎn)基因植株所轉(zhuǎn)目的基因的位置呢？下面，根據(jù)假說演繹和完全歸納法進(jìn)行分析。

二、單拷貝轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移到了一對(duì)同源染色體的相同位點(diǎn)；②目的基因轉(zhuǎn)移到了一對(duì)同源染色體的不同位點(diǎn)；③目的基因轉(zhuǎn)移到了兩對(duì)同源染色體上。我們可以按照如下相應(yīng)的三種假設(shè)進(jìn)行分析。

1.假設(shè)一：目的基因轉(zhuǎn)移到了一對(duì)同源染色體的相同位點(diǎn)，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(jù)基因的分離定律，兩種植株分別可以產(chǎn)生兩種配子。

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

2.假設(shè)二：目的基因轉(zhuǎn)移到了一對(duì)同源染色體的不同位點(diǎn)，如圖3。

圖3

為了分析方便，我們把位于不同位點(diǎn)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(jù)分離定律和是否完全連鎖，可以進(jìn)行如下推理：

演繹推理1：甲乙雜交子代（F1）的基因型和表現(xiàn)型為：AaBb（轉(zhuǎn)基因型）、Aabb（轉(zhuǎn)基因型）、aaBb（轉(zhuǎn)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(huì)出現(xiàn)以下幾種情況。

（1）F1為aabb（野生型），其產(chǎn)生的配子均為ab，則F2全為野生型；（2）F1為Aabb（轉(zhuǎn)基因）、aaBb（轉(zhuǎn)基因），其產(chǎn)生的配子分別為Ab／ab、aB／ab，則其F2均為轉(zhuǎn)基因∶野生型=3∶1；（3）F1為AaBb（轉(zhuǎn)基因），如果不考慮交叉互換，其產(chǎn)生的配子為Ab／aB，則其F2均為轉(zhuǎn)基因型；如果考慮交叉互換，其產(chǎn)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(huì)出現(xiàn)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(zhuǎn)基因類型分別與野生型雜交（測(cè)交），則會(huì)出現(xiàn)以下測(cè)交結(jié)果。

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

3.假設(shè)三：目的基因轉(zhuǎn)移到了兩對(duì)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(diǎn)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(jù)基因的自由組合定律，可以分析出甲產(chǎn)生的配子是Ab、ab，乙產(chǎn)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(xiàn)型為AaBb（轉(zhuǎn)基因）、Aabb（轉(zhuǎn)基因）、aaBb（轉(zhuǎn)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(huì)出現(xiàn)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(zhuǎn)基因）、aaBb（轉(zhuǎn)基因），則其F2均為轉(zhuǎn)基因∶野生型=3∶1；

（3）F1為AaBb（轉(zhuǎn)基因），則其F2中轉(zhuǎn)基因∶野生型=15∶1。

演繹推理3：如果將子代（F1）中的轉(zhuǎn)基因類型分別與野生型雜交（測(cè)交），則會(huì)出現(xiàn)以下測(cè)交結(jié)果。

（1）F1為Aabb（轉(zhuǎn)基因）、aaBb（轉(zhuǎn)基因），測(cè)交結(jié)果為轉(zhuǎn)基因∶野生型=1∶1；

（2）F1為AaBb（轉(zhuǎn)基因），測(cè)交結(jié)果為轉(zhuǎn)基因∶野生型=3∶1。

4.例題分析（原題節(jié)選）

科研工作者從農(nóng)桿菌中獲得帶有潮霉素抗性基因（H基因）的Ti質(zhì)粒，將抗逆基因插入到Ti質(zhì)粒的TDNA上，再利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，將抗逆基因轉(zhuǎn)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(dǎo)入的基因在染色體上的相對(duì)位置，科研人員篩選并通過自交獲得轉(zhuǎn)基因成功的4個(gè)純合株系：1、2、3、4，做了如下雜交實(shí)驗(yàn)。

①4個(gè)純合株系植株分別與非轉(zhuǎn)基因植株正、反交得F1，F(xiàn)1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(gè)株系的H基因均穩(wěn)定的存在，但不能確定4個(gè)株系的H基因是否位于同一對(duì)同源染色體上。

②將上述4個(gè)純合株系植株間進(jìn)行配組形成6個(gè)雜交組合（1×2、1×3、1×4、2×3、2×4、3×4），每個(gè)組合得F1，F(xiàn)1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(gè)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(xiàn)抗潮霉素性狀。假設(shè)株系1中H基因在染色體上的位置如圖7所示，請(qǐng)推測(cè)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(biāo)注，豎線代表染色體，橫線代表基因的位置）。

圖7

圖8

C.根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)推測(cè)，利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法導(dǎo)入到擬南芥中的基因的插入位置是______（隨機(jī)／固定）的。

解析：純合的轉(zhuǎn)基因株系和非轉(zhuǎn)基因植株正、反交得到的是F1雜合子，F(xiàn)1自交將產(chǎn)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(jù)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(duì)同源染色體的相同位點(diǎn)；②一對(duì)同源染色體的不同位點(diǎn)；③兩對(duì)同源染色體上。根據(jù)假設(shè)推理結(jié)果可知：位于兩對(duì)同源染色體上的，會(huì)出現(xiàn)15∶1的分離比。否則，目的基因就在一對(duì)同源染色體的相同位點(diǎn)或不同位點(diǎn)。因此，株系2的目的基因與株系1的不在同一對(duì)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(diǎn)或不同位點(diǎn)（如圖9所示）。

圖9

這些不同結(jié)果，可以說明“利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法導(dǎo)入到擬南芥中的基因的插入位置是隨機(jī)的”。

但是，如果轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diǎn)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(diǎn)，如下所列。

1.位于同源染色體上的同一位點(diǎn)（等位基因位點(diǎn)）

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

2.位于同源染色體上的不同位點(diǎn)（如圖10）

圖10

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

如果發(fā)生了交叉互換，轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)生的配子有Ab、aB和AB、ab（少于1／4），則子代中將出現(xiàn)性狀分離，野生型的比例會(huì)小于1／16；如果與野生型雜交（測(cè)交），子代會(huì)出現(xiàn)野生型，比例小于1／4。

3.位于同一條染色體上的不同位點(diǎn)（如圖11）

圖11

遺傳分析：此種情況下，如果配子產(chǎn)生過程中沒有交叉互換，子代出現(xiàn)性狀分離（轉(zhuǎn)基因∶野生型=3∶1），如果與野生型雜交（測(cè)交），子代均為轉(zhuǎn)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(huì)小于1／4；如果與野生型雜交（測(cè)交），子代中野生型占比少于1／2。

4.位于兩對(duì)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(huì)出現(xiàn)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(cè)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(zhì)，該蛋白可殺死鱗翅目昆蟲。研究者將從蘇云金芽孢桿菌細(xì)胞內(nèi)獲取CryIAC基因，將其導(dǎo)入普通玉米中，獲得T0代植株。對(duì)T0植株進(jìn)行PCR檢測(cè)，結(jié)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(hào)植株與普通玉米雜交獲得T1代，對(duì)T1代進(jìn)行抗蟲鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗蟲玉米與非抗蟲玉米的比值約為3∶1。推測(cè)導(dǎo)入的CryIAC基因位于______上，其遺傳遵循______定律。T0代2號(hào)玉米自交，子代的性狀及分離比為______。

假設(shè)一：T0代2號(hào)植株只是目的基因單拷貝。那么其產(chǎn)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(yīng)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(shè)不成立。

假設(shè)二：T0代2號(hào)植株只是目的基因雙拷貝，且位于一對(duì)同源染色體的相同位點(diǎn)。那么其產(chǎn)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(yīng)該均為“抗蟲玉米”。這與已知矛盾，假設(shè)不成立。

假設(shè)三：T0代2號(hào)植株只是目的基因雙拷貝，且位于一對(duì)同源染色體的不同位點(diǎn)。那么其產(chǎn)生的配子均含有目的基因，與普通玉米雜交獲得T1代應(yīng)該均為“抗蟲玉米”。這與已知矛盾，假設(shè)不成立。（如果考慮交叉互換，也不會(huì)出現(xiàn)1／4的“非抗蟲玉米”）

假設(shè)四：T0代2號(hào)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(diǎn)。那么其產(chǎn)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(yīng)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(shè)不成立。（如果考慮交叉互換，也不會(huì)出現(xiàn)1／4的“非抗蟲玉米”）

假設(shè)五：T0代2號(hào)植株只是目的基因雙拷貝，且位于兩對(duì)同源染色體上。按照自由組合定律，那么其產(chǎn)生的配子就有四種（含有兩個(gè)目的基因：含有一個(gè)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(yīng)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(shè)成立。

那么，有沒有可能出現(xiàn)“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(jìn)行完全歸納。然而，題目中的問題就可以解答了：

將T0代2號(hào)植株與普通玉米雜交獲得T1代，對(duì)T1代進(jìn)行抗蟲鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗蟲玉米與非抗蟲玉米的比值約為3∶1。推測(cè)導(dǎo)入的CryIAC基因位于兩對(duì)同源染色體上，其遺傳遵循基因的自由組合定律。T0代2號(hào)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(shí)上，植物轉(zhuǎn)基因領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟的轉(zhuǎn)化方法包括基因槍法和農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法兩種。通常情況下外源基因被隨機(jī)地插入植物基因組中，一般會(huì)在染色體上插入一個(gè)或多個(gè)外源基因拷貝。大量實(shí)驗(yàn)表明，多拷貝會(huì)造成轉(zhuǎn)化植株出現(xiàn)外源基因表達(dá)沉默現(xiàn)象，只有插入單拷貝或雙拷貝的外源基因才會(huì)在轉(zhuǎn)基因植物中高水平表達(dá)。此外，對(duì)轉(zhuǎn)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(shí)也更有利于篩選得到穩(wěn)定遺傳的轉(zhuǎn)基因純合植株，加快植物育種進(jìn)程。

由于所轉(zhuǎn)基因是定位于細(xì)胞核的，因此，其會(huì)隨著花粉的傳播與非轉(zhuǎn)基植物雜交，從而不利于原種的保護(hù)。為了防止“基因污染”，科學(xué)家嘗試將目的基因?qū)肴~綠體或線粒體，這樣就會(huì)使得轉(zhuǎn)基因性狀呈現(xiàn)母系遺傳的特點(diǎn)，也就是說，只有轉(zhuǎn)基因的植物作為母本，才會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因性狀的后代，而花粉中不攜帶目的基因，自然也就不會(huì)影響到原種了。

綜上所述，轉(zhuǎn)基因過程與結(jié)果遠(yuǎn)不像我們所分析的問題那么簡(jiǎn)單。但是作為教師，依據(jù)這樣的真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生在已有的認(rèn)知基礎(chǔ)上，進(jìn)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(fù)雜的真實(shí)問題，并培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)是非常必要的。