新型实验材料在遗传学三大定律验证实验教学中使用效果研究

程海涛，曹 萍，王 岩，于翠梅，李春红，曹秀云

（沈阳农业大学农学院，沈阳110866）

0 引 言

遗传学是生命科学中重要的学科之一，也是生物类、动植物生产类专业最重要的专业基础课之一。众多综合性大学、师范、医学、农科大学均开设了这门课程。遗传学是从孟德尔著名的豌豆杂交实验开始，逐步建立起来的一门理论与实践相结合的学科。因此，这门课程的学习是以理论和实验相结合为特点的，是一门实践性强的学科。对于遗传学的学习，在掌握遗传学原理的同时，也必须理论和实验相结合，注重实验教学。遗传学实验是培养、训练学生科学的思维方法、实事求是的科学态度与独立的科研动手能力的重要环节，对学生能力培养具有重要作用［1-2］。

遗传学的三大定律是经典遗传的重要内容，三大定律的验证是遗传学实验教学的重要内容之一，是不可或缺的部分。遗传学的三个基本规律，即分离规律、自由组合规律和连锁互换规律，以及在此基础上扩展出来的基因互作和伴性遗传等。遗传学实验材料和方法都力求简单、经典，以保证实验结果与理论结果相吻合［3］。为了帮助学生对三大遗传规律的理解，传统实验内容都是三大定律的验证实验，一般采用果蝇杂交后代、玉米杂种后代及红色面包霉杂种后代分析等内容［4］；对于植物遗传而言一般采用玉米籽粒性状（紫色-白色、甜和非甜）来验证分离规律和自由组合规律，利用糊粉层颜色验证基因验证互作规律，利用顶端凹陷与饱满验证基因连锁交换规律［5-6］。

针对农科院校偏植物类型普通遗传学课程的遗传实验教学中遗传规律验证实验，利用新型玉米果穗材料（由原沈阳大学赵文耀老师提供），完成遗传三大定律的验证。新型的实验材料选择玉米第4 染色体上甜质胚乳基因su1、第9 染色体上粒色基因c1和糯质胚乳基因wx，其中su1与c1、wx独立，c1与wx连锁，su1对c1存在隐性上性作用，选育出C1C1WxWxSu1Su1品系和c1c1wxwxsu1su1品系，经两者杂交、后代自交获得F2代果穗，利用这一个果穗可同时验证分离规律（3∶1）、自由组合规律（9∶3∶3∶1）隐性上位关系（9∶3∶4）和基因连锁与交换规律（计算交换值）［7］。

这个新型实验材料的使用对提升经典遗传学实验教学效果具有重要作用，但这个材料还没有得到广泛的应用，本研究将利用这一新型材料开展其应用效果的研究，通过对学生实验结果的统计分析，检验各个性状的可识别性、性状分离的稳定性，明确实验材料的可用性。本研究结果将进一步分析新型玉米果穗材料在验证经典遗传规律的实验中的可用性和良好的教学效果，为新型材料的推广应用提供理论依据。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

涉及独立遗传、隐性上位性遗传和连锁遗传的相引相杂交组合F2自交果穗20 个（由原沈阳大学赵文耀老师提供），对各个果穗进行编号A1-A20。

1.2 数据采集

选择3 个专业6 个自然班，每班授课时2 人1 组，每组1 个自交果穗，2 人分别对自交果穗的各性状籽粒进行计数，记录2 人计数的平均值。然后按照独立分配规律性状分离比例（9 紫非甜∶3紫甜∶3白非甜∶1白甜）和隐性上位规律分离比例（非糯9∶糯3∶甜4）进行χ2值计算，判断调查结果是否符合理论分离比例；根据籽粒总数（不包括甜）和双隐性个体数（白糯）计算交换值。学生整理实验结果完成实验报告，课后随机抽取了90 份实验报告对不同班级和不同人的实验结果进行记录然后进行统计分析。最后选取单个果穗使用次数大于2 次果穗16 个，涉及的实验报告84 份，用Excel 2007 进行实验结果的统计分析。

2 结果分析

2.1 三对性状的遗传基础解析

新型实验材料利用玉米甜质胚乳基因Su1-su1位于第4 对染色体66 位点，籽粒的粒色基因C1-c1位于第9 对染色体26 位点，糯质胚乳基因Wx-wx位于56位点（见图1）［5-6］。验证实验中利用su1与c1位于不同染色体两者独立来验证自由组合规律，F2代籽粒性状呈现紫非甜（CCSuSu）∶紫甜（C＿susu）∶白非甜（ccSu＿）∶白甜（ccsusu）＝9∶3∶3∶1分离。利用su1与wx两者相互独立，同时su1对wx具有隐性上位作用，（当su1隐性纯合时对糯质基因具有掩盖作用，使其不表现非糯-糯，而只出现甜表型）可以验证独立基因的互作效应——隐性上位作用，其F2代籽粒呈现9 非糯SuSuWxWx∶3糯Su＿wxwx∶3甜susuWx＿∶1甜susuwxwx＝9∶3∶4的分离。值得注意的是由于隐性上位的存在，籽粒中susuWx＿和susuwxwx基因型都表现甜表型，而不表现非糯和糯，使得实际表型数与实际基因型数不等。但糯基因与甜基因独立，根据自由组合定律非糯与糯表现型中都有1/4 表现甜，3/4 表现非甜，所以果穗中非糯与糯的比例仍然是3∶1，同样的道理在利用自交法计算交换值时双隐性基因中3/4 表现白糯非甜，群体总数中也有3/4 表现非甜，所以F2群体中双隐性个体频率不变，要强调的是，此处群体总数为不包括甜籽粒的所有籽粒数。因此，虽然本研究玉米果穗籽粒性状表型值与基因型数不能完全对应，但理论比例不变，所以可以应用本材料进行三大遗传规律的验证实验。

2.2 不同果穗各性状籽粒观察值

图1 新型材料的基因关系与材料形成示意图

实验所用果穗涉及3 对基因，由于存在隐性上位性互作，所以一个果穗上呈现出6 种表现型籽粒，分别为：紫甜、白甜、紫非糯、紫糯、白非糯、白糯。统计分析84 份实验报告、16 个玉米果穗各性状籽粒数目，见图2。由图2 可知，16 个果穗总粒数存在差异，总粒数302.25 ～477.20，平均数为405.33，标准差为58.67，变异系数0.16。总体看来群体数较大适用于遗传规律验证分析，不同果穗的标准差和变异系数不大，说明果穗相对整齐，有利于减小实验过程中的系统误差。从一个果穗不同性状籽粒数目分布来看，同一果穗各性状籽粒数所占比例有符合各自分离比例的趋势，不同果穗相同性状籽粒所占比例存在一定差异，这符合验证试验中存在系统随机误差的现象。

图2 不同果穗各性状观测值统计

2.3 不同籽粒性状观察值差异分析

验证实验中自由组合规律需要调查紫非甜（紫糯+紫非糯）、紫甜、白非甜（白糯+白非糯）、白甜4 个性状籽粒数，隐性上位作用需要调查非糯（紫非糯+白非糯）、糯（紫糯+白糯）和甜（紫甜+白甜）3 个性状籽粒数；计算交换值需要调查白糯（双隐性）和群体总数（白糯+白非糯+紫糯+紫非糯）2 个性状值。从实验结果来看，同一果穗同一性状不同人的调查结果存在差异，这种差异一是由于籽粒排列不规则容易漏计和重复计数产生的误差，另外也是由于性状不容易识别造成的性状识别错误产生的差异，为了确定这种差异对实验结果的影响，统计了16 个果穗不同规律各性状籽粒不同人的观察值，计算了同一个果穗观察值的标准差和变异系数，最后统计16 个果穗每个性状观察值的标准差和变异系数的平均值和变化区间，整理于表1。

表1 果穗不同观察值的差异程度分析

由表1 可见，自由组合规律中紫非甜、紫甜、白非甜、白甜及总粒数5 个性状观察值的标准差平均数分别为7.70、3.64、3.08、1.84 和10.85，其中总粒数的标准差较大，其他性状标准差均小于10，5 个性状观察值的变异系数的平均值为0. 04、0. 05、0. 04、0. 07 和0.03，除白非甜变异系数为0.07 外，其他平均值均小于等于0.05。可见各性状的观察值存在差异较小，总粒数观察值差异偏大，可能是由于总粒数由各个性状累加得出的，也造成每个性状误差累加的结果。隐性上位规律中非糯、糯、甜及总粒数标准差平均值分别为，11. 88、5. 45、4. 78 和13. 73，变异系数平均值为0.06、0.08、0.05 和0.04，总体来看隐性上位性各性状中，各观察值间的差异较独立分配规律略高，非糯和总粒数的标准差都超过10，非糯、糯的变异系数大于0.05，同样也是总粒数标准差较大，糯性状变异系数最大，达到0.08。连锁遗传规律中各性状的标准差和变异系数的变化与前两者类似，差异较前两者大，紫非糯和总粒数的标准差分别是12.36 和14.48，紫非糯和白糯的变异系数为0.07 和0.09。

综合上述分析结果，不同观察者对同一果穗的调查结果存在一定差异，总体看来差异并不明显，比较不同性状统计参数，发现涉及糯的性状的调查结果差异较大，这可能与糯、非糯性状识别难度较其他性状大有关。有色和无色、甜和非甜性状差异明显容易识别，糯和非糯相对性状差异不像其他性状那么直观，如果学生对性状判别标准掌握不准确，容易造成计数不准，产生较大误差，但从分析结果来看，虽然与糯有关性状调查结果差异较其他性状大一些，但变异系数均小于0.1，总体差异不大。可见，绝大多数学生能准确掌握性状识别标准，调查结果差异总体偏小，对实验结果影响不大。

2.4 不同果穗χ2值和交换值差异分析

比较不同果穗2 个规律验证的χ2值和连锁交换规律的交换值的计算结果，见表2。

表2 不同果穗χ2值和交换值计算结果

根据χ2检测原理，当自由组合规律验证实验计算的χ2值＜7.82 时，说明观察值分离比例符合理论分离比例，由表2 可知，16 个果穗自由组合规律验证的χ2值最小值为0.38，最大值为8.35，平均值3.22。16 个果穗中只有A10 果穗χ2值计算结果为8.35，显示观察值分离比例与理论分离比例不符合，其他结果均符合理论分离比例。根据χ2值测验原理，隐性上位性检测中计算的χ2值＜5.99 时，观察值分离比例与理论分离比例相符合。由表3 可见，16 个果穗隐性上位性规律计算的χ2值为0.69 ～5.34，平均值为2.67，所有果穗的χ2值均小于5.99，说明所有果穗的观察值分离比例都符合理论的分离比例。不同果穗计算的χ2值存在一定差异，这些差异除了计数时产生的误差外，绝大多数是由于不同果穗中基因分离和组合时产生的随机误差，从16 个果穗的分离比例的符合程度来看，只有1 个果穗的1 个规律观察值分离比例与理论分离比例不相符，可见，实验材料果穗实测分离比例与理论分离比例符合度很高，实验材料适合应用于2 个遗传规律的验证。

16 个果穗的交换值为13.27 ～37.53，标准差为0.49 ～11.38，变异系数为0.04 ～0.38，果穗间差异较大。就单个果穗而言，由于群体相对较小，染色体交换值受群体大小，个体生长环境影响较大，所以单个果穗的交换值往往有较大的差异。从16 个果穗交换值的平均数（25.39）来看，交换值平均值与粒色基因和糯质基因的理论遗传距离很接近（30 cm），标准差和变异系数的平均数为3.36 和0.13，平均值也比较小。综合16 个果穗的分析结果，在群体较大的情况下交换值实测值与理论值接近，说明群体越大观测交换值越接近实际交换值，本研究中交换值计算结果基本符合c1-wx基因的连锁分离规律，验证结果准确。

2.5 新型果穗实验材料使用效果调查问卷分析

为了深入了解新型果穗材料使用时学生的感受和使用效果，设计了一组调查问卷，实验结束后要求学生填写，共收回有效问卷64 份，统计结果见表3。调查问卷共7 个问题，涉及性状识别和使用感受。在紫色和白色性状识别难易程度调查中，选择A 很容易识别的占75%，B比较容易识别的占23.4%，C 不容易识别的占1.6%，D很难识别的为0%；甜和非甜性状识别难易程度调查结果为：A很容易识别的占73.4%，B比较容易识别的占26.6%，C不容易识别和D很难识别的为0%。由调查结果可见，学生认为这两对性状差异明显，容易识别。在糯和非糯问卷结果中，选择A很容易识别的占15. 6%，B 比较容易识别的占45.3%，C 不容易识别的占37.5%，D 很难识别的为1.6%，问卷结果说明糯和非糯性状识别存在一定难度，认为容易识别的只有15.6%，比例显著低于前2个性状，认为不容易识别的占了37.5%，比例显著高于前两个性状。虽然性状识别存在难度，但可以看出认为容易和比较容易识别的占到60.9%，认为很难识别的只有1.6%，可见如果能够掌握性状识别要领，绝大多数人都能够准确识别糯和非糯2 个性状。在对“使用新型实验材料对你对三大遗传定律的理解”的问卷中，认为有很大帮助的占35.9%，认为有一定帮助的占59.4%，认为没有帮助的占4.7%，在“使用新型实验材料后你对遗传规律的独立性和统一性的理解”的问卷中有深刻理解的占18.8%，加深了理解的占78.1%，没有作用的占3.1%，这两个问卷结果说明使用新型的实验材料对学生理解遗传三大定律和遗传规律的独立性、统一性有所帮助，提升了教学效果。在调查结果中，认为“三个规律一个果穗”好的有68.8%，认为“三个规律三个果穗”好的有17.2%，认为“无所谓”的有14.1%，认为使用新型遗传实验材料能够增加学生对遗传学课程兴趣的占79.7%，不能的占6.3%，没感觉的为14.1%，这两项结果说明，新型果穗材料能够被绝大多数学生接受，并能激发学生对遗传学课程的兴趣。

表3 实验材料使用效果调查问卷统计结果

3 讨论

传统的遗传三大定律的验证实验，一般采用果蝇杂交后代、玉米杂种后代及红色面包霉杂种后代分析等内容［8-9］。也有人探讨使用一些新的实验材料，比如在动物遗传学中，韩君林［10］利用乌骨鸡与普通草鸡相对性状较多的特点，探讨利用乌骨鸡与普通草鸡杂交来验证非等位基因的自由组合规律。庞有志等［11］利用鹌鹑Z染色体上两个有连锁关系的基因座Bb和Yy相互作用控制的栗羽、黄羽和白羽性状，设计实验验证羽色的伴性遗传以及连锁遗传规律。在植物遗传中，吴翠霞［12］根据水稻芽鞘紫线表现时期早、由单基因控制的显性性状的特点，提出利用芽鞘紫线来进行遗传分离规律的实验教学的构思，试验证明其可行性明显。

遗传规律验证实验材料众多形式多样，实验方法成熟，但从实际应用情况来看存在如下几个问题［13-15］：①经典遗传学实验内容和学时数不断减少。随着现代遗传学发展，分子遗传学教学内容在遗传学教学中日益增多，实验内容也不断增加，致使经典遗传学的实验内容在不断被压缩，学时也一再减少。因而在学时减少的情况下尽量完成更多的实验内容、保证教学效果成为遗传学实验教学普遍面临的问题。②实验材料单一。无论动物和植物的三大规律验证都有许多可以采用的材料，但在实际使用中动物仍多采用果蝇为试材，植物仍多采用玉米果穗材料。而一些新型的材料一般也都具有理论和应用的可行性，但多因为突变类型少，或是不易于培养保存，或是杂交繁殖系数低等原因未能得到广泛应用。③ 验证实验多为单个规律设计，不能突出生物遗传的统一性。不同的遗传规律存在于同一生物体内，各个规律相互独立又相互影响，每个性状在体现一个规律的同时也伴随着其他遗传规律的发生，所以性状遗传有着独立性和统一性。目前，实验设计多是1 个杂交组合验证1 ～2 个遗传规律，所以在设计多个规律验证的实验中一般采用2 ～3 个杂交组合，甚至更多，这不仅增加了实验准备和操作的繁琐性，实验也需要更多的学时才能完成。更重要的是单规律的这种实验设计，把一个生物体内的多个遗传规律分别展示，容易使学生感到多个遗传规律是相互孤立的，没有体现遗传的统一性。

针对上述问题，本研究使用新型玉米果穗实验材料，该材料选择玉米第4 对染色体上甜质胚乳基因su1、第9 对染色体上粒色基因c1和糯质胚乳基因wx，涉及甜-非甜，有色-无色，非糯-糯3 对相对性状，遗传规律包括自由组合规律、隐性上位规律、连锁交换规律，将多个遗传规律融合在1 个玉米果穗上，利用这一新型材料开展其应用效果的研究，通过对学生实验结果的统计分析，检验各个性状的可识别性、性状分离的稳定性，明确实验材料的可用性。通过调查问卷了解学生使用新型实验材料后对遗传规律的理解程度，明确新型实验材料的使用效果。研究结果表明：果穗总粒数在302.25 ～477.20，平均数为405.33，标准差为58.67，群体数较大适用于遗传规律验证分析，果穗相对整齐，有利于减小实验过程中的系统误差。同一性状的不同观察值之间存在一定差异，其中，有色-无色、非甜-甜性状组合变异幅度相对较小，与非糯-糯有关的性状组合变异幅度相对较大，这可能与非糯-糯相对性状识别难度相对较大有关，观察值之间的差异包括计数误差和识别错误误差，但绝大多数变异系数小于0.05，说明性状的可识别性较高，适合作为遗传规律验证的实验材料。比较了16 个果穗自由组合规律和隐性上位规律的符合度检测的χ2值，不同果穗的χ2值有较大的变异（0.38 ～8.35，0.69 ～5.34），但16 个果穗、2 个规律共32 次检测结果中只有1 个规律1 次检验结果显示观察值分离比率与理论比例不符，其他检测结果均符合理论分离比例，果穗间的差异是由于不同果穗中基因分离和组合时产生的随机误差造成的，说明果穗籽粒性状分离比较稳定和准确，适合作为实验材料用于自由组合、隐性上位遗传规律验证。16 个果穗的c-wx间的交换值为13.27 ～37.53，平均值为25.39。有研究表明交换值受材料遗传背景、群体大小、测定方法、个体生长发育影响较大，早期研究结果认为c1和wx染色体基因位点为26 cM 和59 cM［16］，后来研究结果显示c1和wx染色体基因位点分别为26 cM和56 cM［5-6］，两基因间的遗传距离为之间多个基因间距离的累加，两基因间实际交换值理论上小于遗传图上的遗传距离（35%或30%）。本文中交换值的平均值为25.39%，小于图上距离，符合遗传规律。单个果穗的群体相对较小，所以果穗间交换值往往存在差异，本研究结果中16 个果穗交换值平均标准差为3.36，平均变异系数为0.13，果穗间差异不大，属于遗传交换值计算的随机误差。新材料使用效果的调查问卷结果显示，有色-无色、非甜-甜相对性状容易识别，非糯-糯相对性状识别有一定难度，但掌握识别要领可以做到准确识别，对实验结果不会产生大的影响；使用新型实验材料对学生理解遗传定律，理解遗传规律的独立性和统一性有很好的帮助，近70%的同学认为新型的实验材料更好，并且能够增加他们对遗传学课程的兴趣。新型实验材料有更好的教学效果。

4 结 语

对新型实验材料的研究结果表明新型玉米果穗材料在验证经典遗传规律的实验中可用性强、教学效果良好。新型实验材料将多个遗传规律融合在一个玉米果穗上，利用一次杂交、自交获得可以验证多个遗传规律的实验材料，减少了使用果穗的数量、简化了材料获得过程，也减少了学生操作实验的时间。这个新型材料的使用将会缓解经典遗传学实验学时减少情况下展示更多实验内容的矛盾；多个遗传规律融合在一个玉米果穗上，使学生充分理解各个遗传规律的现象和本质的同时深刻理解遗传规律的多样性和统一性，更加深刻地体会到遗传学的本质。

致谢：本研究新型玉米果穗材料由原沈阳大学生物与环境学院赵文耀教授提供，在研究过程中赵文耀教授给予了多次的理论和实践指导，在此对赵文耀教授表示诚挚的谢意！