拟南芥——植物遗传命题的好材料

吉林 姜万录

拟南芥
——植物遗传命题的好材料

吉林 姜万录

拟南芥是十字花科二年生草本植物。该植物具有以下特点：植株形态个体小，高度只有30 cm左右，占地少，在有限空间内可大量种植；生长周期快，每代时间短，从播种到收获种子一般只需6周左右；种子多，每株每代可产生数千粒种子；形态特征简单，生命力强，用普通培养基就可人工培养；基因组小，只有5对染色体，其基因组测序已于2000年完成。拟南芥是严格闭花自花受粉植物，基因高度纯合，用理化因素处理突变率很高，容易获得各种代谢功能的缺陷型。拟南芥是进行遗传学研究的典型材料，是目前公认的五大模式生物之一，被科学家誉为“植物中的果蝇”。在各类考试中已成为植物遗传命题的好材料。

一、遗传学研究的材料

【例1】（改编）拟南芥（2n＝10）是路边常见的小草（如图），自花传粉，现在成为一种特别理想的遗传学研究材料。拟南芥作为实验材料的优点不包括 （ ）

A. 染色体数目少，便于显微镜观察和计数

B. 个体较小，适合于实验室大量种植

C. 生命周期很短，子代数量多

D. 自花传粉，野生型基因高度纯合

【解析】A项为优点之一，由题干可知，拟南芥染色体数目2n＝10，染色体数目少，便于显微镜观察和计数；B项不能成为优点，拟南芥植株小方便其在有限的空间里培养，它对环境适应能力强，并不一定非要适合于实验室大量种植；C项为优点之一，拟南芥生长周期快，每代时间短，从播种到收获种子一般只需6周左右，这样大大节省了实验时间；D项为优点之一，自花传粉，基因高度纯合，有助于进行遗传实验研究。

【答案】B

二、用于遗传规律研究

【例2】（改编）拟南芥（2n=10）生活史短，进行自花受粉，是遗传学研究的好材料。自然界中，野生型拟南芥的种皮为褐色，偶有种皮为黄色（由基因S和s控制）的个体；叶片正常的拟南芥后代中会出现叶片卷曲（由基因 T或t控制）的个体。请回答：

（1）黄色种皮拟南芥的出现是________的结果。若让褐色种皮的个体自交，子代中出现一定比例的黄色种皮的个体，则黄色为_______性状。

（2）若褐色种皮、叶片卷曲植株与黄色种皮、叶片正常的植株杂交，产生的 F1仅表现一种性状，F1自交，产生的F2中叶片卷曲、黄色种皮的植株有51株，叶片正常、褐色种皮的植株有462株，由此得出：控制拟南芥种皮颜色及叶片形状的基因的遗传符合_______定律。F1的表现型为_______，亲本的基因型为________。

【解析】（1）自然界中，野生型拟南芥的种皮为褐色，偶有种皮为黄色的个体。说明黄色种皮拟南芥的出现是基因突变的结果。褐色种皮的个体自交，子代出现了性状分离，说明褐色为显性性状，黄色为隐性性状。（2）F2中叶片正常、褐色种皮的植株∶叶片卷曲、黄色种皮的植株=462∶51≈9∶1，符合两对相对性状遗传中孟德尔比数9∶3∶3∶1的比例中双显∶双隐=9∶1。说明这两对相对性状的遗传遵循基因的自由组合定律。F1表现为双显性性状，即叶片正常、褐色种皮，双亲为显隐性和隐显性的纯合子，基因型为SStt 和ssTT。

【答案】（1）基因突变 隐性 （2）自由组合 叶片正常、褐色种皮 SStt和ssTT

三、用于基因功能研究

【例3】（2015·广州模拟）科研人员向野生型拟南芥的核基因组中随机插入已知序列的Ds片段（含卡那霉素抗性基因），导致被插入基因突变，筛选得到突变体Y。因插入导致某一基因（基因A）的功能丧失，从突变体Y的表现型可以推测野生型基因A的功能。

（1）将突变体Y自交所结的种子用70%酒精__________处理后，接种在含有卡那霉素的培养基中，适宜条件下光照培养。由于卡那霉素能引起野生型植物黄化，一段时间后若培养基上的幼苗颜色为绿色，则可确定植物DNA中含有_____________________。

（2）统计培养基中突变体Y的自交后代，绿色幼苗3 326株、黄色幼苗3 544株，性状分离比例接近于____________，这一结果______________（填“符合”或“不符合”）孟德尔自交实验的比例。

（3）研究人员进一步设计测交实验以检测突变体Y产生的_____________，实验内容及结果见下表。由实验结果可知，Ds片段插入引起的基因突变会导致________________致死，进而推测基因A的功能与____________有关。

（4）提取突变体Y的基因组DNA，限制酶切割后用______________连接，依据Ds片段的已知序列设计引物，扩增出

_________，进一步测定其序列。

测交亲本实验结果突变体Y（♀）×野生型（♂）绿色∶黄色=1.03∶1突变体Y（♂）×野生型（♀）黄色

【解析】（1）为避免杂菌污染，突变体Y自交所结的种子用70%酒精处理是进行消毒，卡那霉素能引起野生型植物黄化，而该培养基上的植物仍是绿色，说明其含有抗卡那霉素基因，Ds片段含卡那霉素抗性基因，则可确定植物DNA中含有Ds片段。（2）由自交后代统计结果分析可知绿色∶黄色接近1∶1，不是3∶1，这一结果不符合孟德尔自交实验的比例。（3）测交实验的目的是通过子代表现型的种类和比例推测亲代产生配子的种类和比例，进一步推测亲代的基因型。表格数据显示，当突变体Y作为母本时，子代性状分离比接近1∶1，而作为父本时子代全为黄色，可以推测父本产生的含Ds片段的雄配子（花粉）致死，进而推测，基因A的功能与雄配子（花粉）正常发育有关。（4）基因工程中要用DNA连接酶连接DNA片段。由题干可知，Ds片段的插入导致基因A功能丧失，而从突变体Y的表现型可以推测基因A的功能，故第（3）问明确基因A的功能以后，可以利用PCR技术扩增基因A的DNA片段，可做进一步测序。

【答案】（1）消毒 Ds片段 （2）1∶1 不符合 （3）配子类型及比例 雄配子（或花粉） 正常发育 （4）DNA连接酶 基因A（或基因A片段）

【例4】（2015·海淀区模拟）科研人员为了探究拟南芥A基因的功能，进行了如下研究。

（1）科研人员将T-DNA中插入了卡那霉素抗性基因的农杆菌在__________培养基中震荡培养，获得转化液。用__________至适当浓度的转化液对野生型拟南芥进行转化，T-DNA插入导致A基因发生__________，得到突变型拟南芥。

（2）科研人员用突变型拟南芥进行了杂交实验，结果如下表所示。

依据_________，判断突变型拟南芥的基因型为Aa，依据_________不同，推测A基因丧失影响雄配子的产生。子代卡那霉素敏感型个体的基因型为_________。

（3）为探究A基因在联会过程中对交换频率的影响，科研人员将黄色（Y）和绿色（C）荧光蛋白基因整合到突变型和野生型拟南芥的同一条染色体上，得到基因型为aaYyCc和AAYyCc的植株。观察并统计aaYyCc植株产生的不同荧光的花粉数量（假设最多只发生一次交换），与AAYyCc植株进行比较，得到下表所示结果。

花粉数量无荧光黄色和绿色荧光黄色荧光绿色荧光AAYyCc植株（对照组）2 631 2 631 731 731 aaYyCc植株（实验组）991 991 168 168

据表分析，__________荧光的花粉是通过交叉互换产生的，对照组未发生交叉互换的花粉母细胞的数量是________。对照组植株和实验组植株的重组配子所占的比例分别为_________，由此说明A基因功能丧失导致交换频率_________。

亲本子代（卡那霉素抗性/卡那霉素敏感）突变型拟南芥自交2.93突变型♀×野生型♂1.03突变型♂×野生型♀0.47

【解析】（1）农杆菌需用液体培养基震荡培养，然后用稀释至适当浓度的转化液进行转化。T-DNA插入拟南芥基因组中导致A基因碱基对增添而发生基因突变，从而得到突变型拟南芥。（2）科研人员用突变型拟南芥进行了杂交实验，依据突变型拟南芥自交，子代卡那霉素抗性∶卡那霉素敏感=2.93，约为3∶1，符合孟德尔分离定律，由此判断突变型拟南芥为杂合子基因型为Aa。又根据正反交结果不同，可推知A基因丧失影响雄配子产生。卡那霉素敏感型个体A基因中没有插入的T-DNA，基因正常应该是纯合子，基因型为AA。（3）交叉互换发生在减数分裂四分体时期，由于联会同源染色体发生交叉互换的频率低，所以花粉数少的为交叉互换产生的，依据表中数据可知黄色和绿色荧光花粉是通过交叉互换产生的。由于交叉互换发生在同源染色体非姐妹染色单体之间，在一次减数分裂过程中产生四种配子，其中两种是亲组合类型，另两种为重组合类型。对照组未发生交叉互换的花粉母细胞的数量是（2 631-731+2 631-731）/4=950。对照组植株重组配子所占的比例为重组合配子/（重组合配子+亲组合配子）=（731+731）/（2 631+2 631+731+731）≈21.7%，实验组植株的重组配子所占的比例为（168+168）/（991+991+168+168）≈14.5%。通过对照组与实验组互换率比较可知实验组低于对照组，说明A基因功能丧失导致交换频率降低。

【答案】（1）液体 稀释 基因突变 （2）突变型拟南芥自交子代卡那霉素抗性∶卡那霉素敏感=3∶1 突变型与野生型杂交的正反交结果 AA （3）黄色、绿色 950 21.7%和14.5% 降低

四、用于基因工程研究

【例5】（改编）野生型拟南芥的种皮为深褐色（TT），某突变体的种皮为黄色（tt），下图是利用该突变体验证油菜种皮颜色基因（Tn）功能的流程示意图。

（1）用同一种________酶处理油菜Tn基因和质粒能够使两者具有相同的黏性末端，过程A处理后的基因和质粒形成重组DNA需要的重要酶是________。

（2）培养基中添加________可用于筛选出成功导入了重组DNA的农杆菌。

（3）若转基因拟南芥的种皮颜色为_______，则说明油菜Tn基因与拟南芥T基因的功能相同。

（4）该图中将目的基因导入植物受体细胞所用的方法叫______，其优点是__________________________________________________________________________________，该方法通常使用于将目的基因导入_______植物。

（5）Tn基因能够在油菜和拟南芥细胞中表达，原因是______________。

（6）经检测，图示得到的转基因拟南芥有部分细胞并没有Tn基因。为了得到所有细胞都含有Tn基因的拟南芥，可以用含重组DNA的农杆菌感染拟南芥的______________。

【解析】（1）基因工程需要用同一种限制酶对目的基因和运载体质粒进行切割，以便使两者具有相同的黏性末端，将目的基因与质粒结合需要用DNA连接酶将磷酸二酯键连接起来。（2）质粒上带有标记基因抗生素Kan的抗性基因，该基因表达则细菌具有抗抗生素Kan的特性，故可在培养基中加入抗生素Kan筛选成功导入重组质粒的农杆菌。（3）若导入的基因与拟南芥T基因控制的颜色相同，即为深褐色，则证明油菜Tn基因与拟南芥T基因的功能相同。（4）图中展示的是借助农杆菌介导转化，因此将目的基因导入植物受体细胞所用的方法叫农杆菌转化法，该方法利用的是T-DNA作用，其优点是可以携带目的基因转移至受体细胞内并插入受体细胞染色体的DNA中。当双子叶植物和裸子植物的植物体受伤时，伤口处的细胞会分泌大量的酚类化合物，会吸引农杆菌细胞完成转化。（5）Tn基因能够在油菜和拟南芥细胞中表达，因为所有生物都共用一套密码子。（6）转基因拟南芥有部分细胞并没有Tn基因，是因为只有很少一部分拟南芥幼苗的细胞导入成功，要使拟南芥所有细胞都含有Tn基因，受体细胞最好选用分化程度较低的受精卵，也可用卵细胞和体细胞。

【答案】（1）限制（或限制性核酸内切） DNA连接酶（2）抗生素Kan （3）深褐色 （4）农杆菌转化法 农杆菌中Ti质粒的T-DNA片段可以携带目的基因转移至受体细胞内并插入受体细胞染色体的DNA中 双子叶植物和裸子植物

（5）所有生物都共用一套密码子 （6）受精卵（卵细胞、体细胞也可）

总之，拟南芥作为遗传学研究的模式植物，通过对其植株特点、基因组中基因的分析和遗传研究挖掘命题切入点，有助于学生深入理解和把握教材内容。

（作者单位：吉林省梨树县第一高级中学）