如何利用染色体变异进行基因定位

山东

基因定位是指将基因定位于具体染色体或染色体的某些区域，是遗传学研究的一项基本工作。最早在1911 年，E.B.Wilson 首次将人红绿色盲基因定位到X 染色体上。高考试题常考查遗传方式，包括显、隐性的确定及基因在染色体上的定位等。本文就利用染色体变异进行基因定位的原理、实例以及基于这些实例的试题进行分析，以期开拓视野，拓展思路，帮助学生突破高考遗传题这个难点。

人教版教材对基因定位问题的讨论始于摩尔根的果蝇实验。早在1910 年之前，就有许多生物学家推测基因位于染色体上，但是缺乏确凿的证据。直到摩尔根发现白眼雄蝇后，利用这只雄蝇和红眼雌蝇进行杂交实验，子一代全为红眼果蝇。子一代果蝇相互交配，子二代所有的雌蝇为红眼，雄蝇中一半为红眼，一半为白眼，这种现象提示了控制果蝇眼色的基因可能位于性染色体上。更具说服力的实验是将白眼雌蝇和红眼雄蝇杂交，子一代红眼全为雌蝇，白眼全为雄蝇。在这个实验中，亲本雌蝇的白眼基因伴随X 染色体传给了子代雄蝇，亲本雄蝇的红眼基因伴随着X 染色体传给了子代雌蝇。在以后的几年里，摩尔根的学生利用基因重组的概率计算出了基因在染色体上的相对位置，绘制出世界上第一张遗传图。20 世纪70 年代后，随着基因定位技术的进步，如体细胞杂交、DNA 分子杂交和PCR 等技术的出现和应用，使得基因定位的研究速度明显加快。人类基因组计划的实施和完成，更加促进了基因定位研究的进程。

体细胞杂交定位、单体和三体定位、染色体缺失定位及突变基因的检出，与高中生物教材联系密切，为遗传试题的命制提供了很好的素材。下面的例题是笔者根据这些材料曾命制的原创试题，希望可以给广大教师一些参考。

一、利用体细胞杂交技术进行基因定位

20 世纪60 年代初，随着细胞融合技术的成熟，科学家发现在融合细胞内存在染色体丢失的现象。HAT 是一种选择性培养基，在这个培养基上，缺少胸腺核苷激酶（TK）或次黄嘌呤磷酸核糖转移酶（HPRT）的细胞不能存活。用灭活病毒或聚乙二醇将缺少胸腺核苷激酶的人类细胞（TK-）和缺少次黄嘌呤磷酸核糖转移酶（HPRT-）的小鼠细胞融合后，用HAT 培养基筛选出杂种细胞。在杂种细胞中，小鼠细胞能产生TK，人类细胞能产生HPRT，互补了缺陷，因此该杂种细胞在HAT 培养基中能存活，其他细胞则死亡。杂种细胞在分裂过程中，人类的染色体会随机丢失，小鼠的染色体则全部保留下来。经过几次分裂后，待杂种细胞稳定下来时，细胞内保留了一条或几条人类染色体。虽然目前还不清楚人类染色体丢失的机制，但留存下来的染色体可用于基因定位。

【例1】（2016 年命制，用于天津五区县二模，节选）随着“人-鼠”杂种细胞的分裂，细胞中来自人的染色体会随机丢失，在最终稳定时，杂种细胞只保留了一条或几条人的染色体。利用此特性，可将某些基因定位于特定的染色体上。基因T 控制合成的酶能利用胸腺脱氧核苷，基因H 控制合成的酶能利用次黄嘌呤。不能同时利用这两类物质的细胞不能成活。将基因型为ttHH 的人细胞和基因型为TThh 的鼠细胞，置于添加有胸腺脱氧核苷和次黄嘌呤的HAT 培养基中，诱导细胞融合。

（3）镜检分析HAT 培养基中处于分裂中期的杂种细胞，发现细胞内残留的人染色体如表1：

表1

①分析表1 中数据，可将基因____定位于________染色体上，依据是_____________。

②若将另一对等位基因也定位在人染色体上，理论上，可选择基因型分别为___________的人、鼠细胞进行融合。

【解析】（3）①根据题目信息得知，能在HAT 培养基上存活的细胞应同时含有T 和H 基因。人细胞的基因型为ttHH，鼠细胞的基因型为TThh，初始时“人-鼠”杂种细胞的基因型为TTttHHhh，在HAT 培养基上能存活。在残留的4 种人染色体杂种细胞中，均含有第17 号染色体，且杂种细胞2 中只有第17 号染色体也能存活，说明H 基因位于第17 号染色体上。②理论上，若定位人染色体上的T 基因，人染色体上需要T 基因纯合（TT），另一对基因隐性纯合（hh），小鼠的基因型与人细胞的基因型互补即可。

【答案】（3）①H 17 存活细胞内均含人第17（17 号）染色体 ②TThh、ttHH

二、利用单体和三体进行基因定位

单体（2n-1）比正常细胞（2n）少了一条染色体，三体（2n+1）比正常细胞多出了一条染色体。有时，某些生物的单体和三体均能存活并可育。如曼陀罗（2n=24）有12 对同源染色体，人们发现了该植物的12 种三体，与正常曼陀罗相比，这12 种三体曼陀罗的每种单体各多出了一条不同的染色体，其硕果的大小和形状各不相同。烟草（2n=48）普遍存在三体，为此我国科研人员曾建立了烟草的三体系和单体系。果蝇的Ⅳ号染色体短小，其上只有很少基因，因此果蝇Ⅳ号染色体的单体或三体可以存活。在人类中，最著名的三体病为唐氏综合征，最早由英国医生Langdon Down 于1866 年发现，引发该病症的原因为21 号染色体为三体，患者核型为47，XX 或47，XY。人因13 号和18 号染色体为三体而患病的情况也有报道，但相当少见，原因是患者极易夭折。

【例2】（2016 年命制，用于淄博市一模，节选）某严格自花传粉的二倍体植物（2n），野生型为红花，突变型为白花。研究人员围绕着花色性状的显隐性关系及花色控制基因在染色体上的定位，进行了以下相关实验。请分析回答：

（3）单体（2n-1）可用于基因的染色体定位。人工构建该种植物的单体系（红花）应有______种单体。若白花由一对隐性突变基因控制，将白花突变植株与该种植物单体系中的全部单体分别杂交，留种并单独种植。假定配子全部可育，各基因型全部成活，当子代出现表现型及比例为____________时，可将白花突变基因定位于_______________。

（4）三体（2n+1）也可用于基因的染色体定位。若白花由一对隐性突变基因控制，将白花突变植株与三体系（红花纯合）中全部三体分别杂交，留种并单独种植。假定配子全部可育，各基因型全部成活，当子二代的表现型及比例为__________________时，可将白花突变基因定位。

【解析】（3）单体（2n-1）是一对同源染色体缺少一条染色体，本植物染色体数为2n，有n 对同源染色体，因此该种植物的单体系应包括n 种单体。设红花和白花的控制基因分别为A、a，则单体系中只有一种红花单体基因型为A0，其他单体的基因型为AA。A0 和白花（aa）杂交，子代为Aa（红花）∶0a（白花）=1∶1，AA 和白花（aa）杂交，子代全为红花。这样便可将A 基因定于“0”染色体上，即单体所缺染色体上。（4）三体纯合红花的基因型为AAA，白花的基因型为aa，F1的基因型为1/2Aa、1/2AAa。F1自交时：1/2Aa 红花自交，F2中白花（aa）的比例为1/2×1/4aa=1/8；AAa 产生的配子及比例为1/6AA、1/6a、1/3A、1/3Aa，1/2AAa 自交所得的F2中白花（aa）的比例为1/2×1/6a×1/6a=1/72。因此，F2中白花植株所占比例为1/8+1/72=5/36，红花植株所占比例为1-5/36=31/36。因此，F2的表现型及比例为红花植株∶白花植株=31∶5。

【答案】（3）n 红花植株∶白花植株=1∶1该单体所缺少的染色体 （4）红花植株∶白花植株=31∶5

三、利用染色体缺失进行基因定位

染色体缺失是指染色体断裂后丢失了部分片段。一条染色体的片段缺失后，会造成另一条同源染色体对应区域上的隐性基因表现出相应性状，引起表现型的改变，这种现象称为“假显性”。当缺失的片段足够大时，在对缺失染色体进行细胞学鉴定时，可在显微镜下观察到联会的一对同源染色体上，一条凸起了“环”，凸起环的染色体为正常染色体，另一条染色体发生了中间缺失（需要说明的是，染色体重复也会出现类似的“环”，若要区分二者，需要与正常染色体做比对）。

玉米的紫茎对绿茎为显性，墨克林托克（McClintock）用X 射线处理纯合紫茎玉米,并将这些玉米与绿茎玉米杂交，子代得到732 株紫茎玉米和2 株绿茎玉米。起初他怀疑是基因突变造成的，但在对2 株绿茎玉米进行细胞学检测时发现，第6 号染色体的臂端缺少了一段，从而确定是X 射线造成了玉米的染色体缺失，同时也将控制紫茎和绿茎的基因定位于第6 号染色体的臂端。

动物中，利用染色体缺失进行基因定位的典型例子是定位果蝇X 染色体上的fa（小糙眼）基因。用人工方法处理野生型黑腹果蝇的雄蝇（FaY），使其X 染色体上的不同区段发生断裂，重新连接得到了13 种缺失类型的雄蝇，它们的染色体缺失部位如图1（深色区为染色体缺失部位）。将1～13 号缺体雄蝇分别与小糙眼雌蝇（fafa）杂交，在子代雌蝇中，带有3～13 缺失染色体的果蝇表现为小糙眼，出现“假显性”，表明Fa/fa 基因位于3～13 的共同缺失区。

图1

【例3】（2015 年命制，用于GETS 山东名校联盟）玉米株色的紫色（A）对绿色（a）为显性，该对基因位于第6 号染色体上。经X 射线照射的紫株玉米的花粉授给绿株玉米，F1中出现1% 的绿株。F1紫株和绿株的第6 号染色体的检测结果如图2 所示。相关叙述正确的是 （ ）

图2

A.亲本中紫株的基因型为Aa，绿株的基因型为aa

B.F1紫株和绿株杂交，F2有4 种基因型，2 种表现型

C.F1紫株的基因型为Aa，F1绿株的基因型为aa

D.X 射线照射紫株花粉后，1% 的花粉发生了基因突变

【解析】由于F1中只有1%的绿株，频率很低，因此绿株的出现不是杂交的结果，而是变异的结果，由此确定亲本中紫株基因型为AA，绿株基因型为aa，A 选项错误；比较F1绿株和紫株的染色体发现，F1绿株中有一条染色体发生了缺失，因此F1绿株的基因型为0a，发生缺失的染色体来自紫株亲本，C、D 选项错误；F1紫株（Aa）和绿株（0a）杂交，后代的基因型为A0、Aa、a0、aa 4 种基因型，2 种表现型，B 选项正确。

【答案】B

【例4】（2017 年命制，用于天津五区县二模）人工处理果蝇，筛选得到一条X 染色体正常且带有小糙眼基因、另一条X 染色体发生部分片段缺失的5 类雌蝇，X 染色体上的缺失片段及相应的眼型性状如表2。下列对这5 类果蝇的分析，正确的是 （ ）

表2

A.X 染色体片段的缺失导致基因突变

B.眼型中小糙眼对正常眼是显性性状

C.在X 染色体的③区有控制眼型基因

D.在X 染色体的①区有控制眼型基因

【解析】假设相关基因用A/a 表示。正常X 染色体（没有缺失）上有小糙眼基因，但5 类雌蝇不全为小糙眼（有正常眼和小糙眼），说明小糙眼基因为隐性基因（a），正常眼为显性性状，由A 基因控制。“另一条X 染色体”在未发生缺失前是带有正常眼基因（A）的，这条X 染色体在发生缺失时有两种情况：有的缺失了带A 的染色体片段，这类果蝇的基因型为a0，表现为小糙眼；有的缺失片段上不带有A 基因，此类果蝇的基因型为Aa，表现型为正常眼。从表2 中看出，缺失“③④”和“②③”片段时表现为小糙眼，因此控制眼型的基因（A/a）应位于③区。

【答案】C

四、利用染色体倒位定位隐性突变基因

染色体断裂后，反转180°，倒接在染色体上称为倒位。在果蝇的第Ⅱ号染色体上有两个显性突变基因Cy（Curly wings，翻翅）和Pm（Plum eyes，梅红色眼），每个基因都具有纯合致死效应，因此，人工构建的果蝇第Ⅱ平衡染色体的基因型为Cy___pm/cy___Pm（“___”代表染色体，下同）。在果蝇的第Ⅲ号染色体上有Tb（肥胖体）基因和Sb（短刚毛）基因，每个基因显性纯合时果蝇致死，人工构建的第Ⅲ平衡染色体为Tb___sb/tb___Sb。上述平衡染色体均可稳定遗传，即后代果蝇全部具有平衡染色体，因为后代中Cy pm/Cy___pm、cy___Pm/cy___Pm、Tb___sb/Tb___sb、tb___Sb/tb___Sb果蝇致死。在人工构建的果蝇第Ⅱ、Ⅲ平衡染色体中，均有一条染色体在两基因间的区段发生了倒位。在倒位区段，同源染色体不能联会，不能交叉互换，从而抑制了这个区段的基因重组，有利于突变基因的检出。

【例5】（2016 年命制，用于淄博市二模，节选）（3）人工构建的第Ⅱ平衡染色体果蝇中，两条第Ⅱ染色体上的基因如图3 所示，两染色体间不发生交叉互换。基因A、B为显性纯合致死基因（含有AA 或BB 时果蝇致死）。

图3

①具有第Ⅱ平衡染色体的果蝇交配，后代中的第Ⅱ染色体仍为平衡染色体，原因是_______________________。

②将具有某隐性突变性状的突变型果蝇（由常染色体上的一对隐性基因控制且无图3 中的显性致死基因）与第Ⅱ平衡染色体野生型果蝇杂交，F1均为野生型。让F1雌雄果蝇交配得F2，若该隐性突变基因位于第Ⅱ染色体上，则F2表现型及比例为______，否则，F2表现型及比例为____________。

【答案】（3）①基因型为AAbb 或aaBB 的果蝇致死，只有AaBb 的果蝇存活 ②野生型∶突变型=5∶2

野生型∶突变型=3∶1

五、并连X染色体检出X染色体上的基因突变

并连X 染色体由摩尔根的妻子于1922 年发现，它由两条X 染色体融合而成，两条X 染色体共用一个近端着丝点。一般情况下，发生在雄果蝇X 染色体上的隐性突变不易保留，原因是这条X 染色体传给了子代的雌性个体，在表现型上，会被来自雌性的另一条X 染色体“覆盖”，并在传递时“逸散”在众多的后代中，不易寻找。但并连X 染色体果蝇可以解决这个问题。

【例6】（2015 年命制，用于GETS 竞赛，节选）有极少数果蝇的两条X 染色体并连，记作“X∧X”，并连后的X 染色体在细胞分裂过程中不分开。X∧XY 的果蝇为雌蝇，染色体为X∧XX 及YY 的果蝇致死。

图4

（2）一只并连雌蝇（X∧XY）和一只正常雄蝇杂交，子一代中雌、雄蝇的染色体组成分别为_______，子代雄蝇的X 染色体来自亲代的______（填“雄蝇”或“雌蝇”）。

（3）利用上述亲本在实验室中连续繁殖交配，可“侦查”发生在X 染色体上的基因突变。通过重点观察该果蝇种群内_______（填“雌”或“雄”）蝇的表型变化，可检出发生在X 染色体上________区的显性突变和______区的隐性突变。

【答案】（2）X∧XY、XY 雄 （3）雄Ⅰ、Ⅱ Ⅱ

从研究的角度讲，在某种意义上变异比遗传更重要，没有了变异就谈不上遗传，因此高校教材更重视变异。基因突变、基因重组和染色体变异为遗传命题提供了丰富的命题素材，在遗传部分专题训练时，适当引入染色体变异类型的题目，有利于培养学生的分析能力，提高科学思维品质和遗传学素养。