用科学论证解决高中生物遗传学问题

北京 曹文竹 毕 然

一、明确遗传学的研究层次与结构

人教版教材必修2《遗传与进化》依照遗传学的研究层次顺序编写，即个体水平、细胞水平和分子水平。孟德尔遗传两大规律从个体水平进行研究，发现了性状分离的遗传学现象。出现性状分离的根本原因是等位基因分离，而等位基因分离的细胞学基础是减数分裂过程中同源染色体的分离，即细胞水平。正是由于同源染色体的分离，等位基因分离；正是由于非同源染色体的自由组合，其上的非等位基因自由组合。那么如何运用减数分裂的过程解释、分析孟德尔的两大遗传规律呢？笔者就此问题展开研究，做出如下总结。

二、运用遗传规律和遗传学研究方法解决问题

（一）方法引入

孟德尔遗传两大规律均从个体性状入手分析现象，推理配子基因型、合子基因型以及基因型对性状的控制情况，即由证据推断条件，推测其内在控制机制。而后，由一对相对性状到多对相对性状进行推理、演绎、验证。

解决遗传题的思路同样如此，从一对相对性状开始分析，对结果（证据）提出假设，再对假设进行论证，推出证据的充要条件，进而推测亲本、配子可能的基因型，演绎杂交过程，预期实验结果。

【例1】现有纯种的高茎、矮茎2株拟南芥（自花传粉），请通过实验来确定高茎和矮茎这对相对性状的显隐性关系及其遗传是否遵循基因的分离定律。要求：设计三个方案，作出假设、预期实验结果并做出相应的分析。

1.问题分析

相对性状的显隐性关系可直接由杂合子的表现型推断，因此本题的难点在于如何分析、论证其遗传遵循基因分离定律。

2.启发引导

方案一：杂交自交方案

证据：F2出现高茎∶矮茎=3∶1

论点：高茎与矮茎这对相对性状由一对等位基因控制，且按照分离定律遗传。

设置问题串：

（1）若F1产生1 种配子或产生2 种配子且隐性雄配子或雌配子不育，那么F2会出现高茎∶矮茎=3∶1 吗？

（2）若隐性纯合的合子成活率只有50%，那么F2会出现高茎∶矮茎=3∶1 吗？

（3）若喷洒含赤霉素的溶液，且其仅能促进矮茎植株伸长，那么F2会出现高茎∶矮茎=3∶1 吗？

（4）若F2仅有4 株成活，那么F2会出现高茎∶矮茎=3∶1 吗？

论证：

F2出现3∶1 分离比的充要条件为①F1产生数目相等的2 种配子，且2 种配子都能良好发育，雌雄配子具有均等的结合机会；②受精后各基因型的合子成活率均等；③显性作用完全，不因其他基因影响而改变作用方式，即简单的显隐性；④杂种后代处于相对一致的条件下，且试验群体大。

满足上述条件的情况下，假设该对相对性状由A 基因控制，则F1基因型为Aa，形成配子时A 与a 分离。

演绎过程：略。

演绎结果与论据比较：

若F1表现为高茎，则高茎为显性性状；若F2出现高茎∶矮茎=3∶1，与论据相符，则高茎与矮茎这对相对性状由一对等位基因控制，且遵循分离定律，否则不遵循。

3.学生尝试作答

方案二：杂交测交方案

证据：Ft出现高茎∶矮茎=1∶1

论点：高茎与矮茎这对相对性状由一对等位基因控制，且遵循分离定律遗传。

论证：略。

演绎过程：略。

演绎结果与论据比较：

若F1表现为高茎，则高茎为显性性状；若F2出现高茎∶矮茎=1∶1，与论据相符，则高茎与矮茎这对相对性状由一对等位基因控制，且遵循分离定律遗传。

方案三：F1 花粉离体培养

证据：F2出现高茎∶矮茎=1∶1

论点：高茎与矮茎这对相对性状由一对等位基因控制，且遵循分离定律遗传。

论证：

（1）F1产生数目相等的2 种配子，且2 种配子都能良好发育；（2）各基因型的合子成活率均等，且试验群体大；（3）显性作用完全，不因其他基因影响而改变作用方式，即简单的显隐性。

满足上述条件的情况下，假设该对相对性状由A 基因控制，则F1基因型为Aa，形成配子时A 与a 分离。

演绎过程：若采用植物组织培养技术来解决问题，具体方案是什么？

①P：AA×aa

F1：Aa；

②F1中Aa 花粉离体培养后，用秋水仙素处理；

③观察并统计种类不同的表现型及数量比例。

演绎结果与数量比较：

若F1表现为高茎，则高茎为显性性状；若F2出现高茎∶矮茎=1∶1，则高茎与矮茎这对相对性状由一对等位基因控制，且遵循分离定律，否则不遵循。

4.小结

在论证某性状的遗传是否遵循孟德尔遗传规律时，应按照以下步骤：从论据（结果）入手、提出问题、作出假设、推出条件、进行论证、演绎推理、演绎结果与论据比较、得出结论。判断相对性状的显隐性关系，在满足基因分离定律的前提下，杂合子的表现型即为显性。

（二）真题过渡

【例2】（2019 年，北京卷，第30 题节选）油菜是我国重要的油料作物，培育高产优质新品种意义重大。油菜的杂种一代会出现杂种优势（产量等性状优于双亲），但这种优势无法在自交后代中保持。杂种优势的利用可显著提高油菜籽的产量。

（1）油菜具有两性花，去雄是杂交的关键步骤，但人工去雄耗时费力，在生产上不具备可操作性。我国学者发现了油菜雄性不育突变株（雄蕊异常，肉眼可辨），利用该突变株进行的杂交实验如图1 所示：

图1

①由杂交一结果推测，育性正常与雄性不育性状受________________对等位基因控制。在杂交二中，雄性不育为____________性性状。

②杂交一与杂交二的F1表现型不同的原因是育性性状由位于同源染色体相同位置上的3 个基因（A1、A2、A3）决定。品系1、雄性不育株、品系3 的基因型分别为A1A1、A2A2、A3A3。根据杂交一、二的结果，判断A1、A2、A3之间的显隐性关系是___________________。

【答案】①1 显 ②A1对A2为显性，A2对A3为显性

【问题分析】①由杂交一F2表现型及比例可知，该对相对性状遵循基因分离定律，受一对等位基因控制。杂交二F2出现育性正常∶雄性不育=1∶1，为杂交测交型，且遵循基因分离定律，F1为杂合子，表现型即为显性。②由题可知品系1、雄性不育株、品系3 的基因型分别为A1A1、A2A2、A3A3，杂交一F1基因型为A1A2，表现为育性正常，则A1对A2为显性基因；同理，杂交二A2对A3为显性。

（三）遗传学研究方法深入到基因对性状的控制

基因可以通过控制酶的合成控制细胞代谢，从而控制生物体的性状。

1.真题练习

【例3】（2020 年，北京卷，第21 题节选）遗传组成不同的两个亲本杂交所产生的杂种一代，产量等多个性状常优于双亲，这种现象称为杂种优势。获得具有杂种优势的杂合种子是提高水稻产量的重要途径。

（3）尽管籼-粳具有更强的杂种优势，但由部分配子不育，导致结实率低，从而制约籼-粳杂种优势的应用。研究发现，这种不育机制与位于非同源染色体上的两对基因（A1、A2和B1、B2）有关。通常情况下，籼稻的基因型为A1A1B1B1，粳稻为A2A2B2B2。A1A2杂合子所产生的含A2的雌配子不育；B1B2杂合子所产生的含B2的雄配子不育。

①根据上述机制，补充籼稻×粳稻产生F1及F1自交获得F2的示意图，用以解释F1结实率低的原因。

②为克服籼-粳杂种部分不育，研究者通过杂交、连续多代回交和筛选，培育出育性正常的籼-粳杂交种，过程如图2。通过图中虚线框内的连续多代回交，得到基因型A1A1B1B1的粳稻。若籼稻作为连续回交的亲本，则不能得到基因型A2A2B2B2的籼稻，原因是F1（A1A2B1B2）产生基因型为_______________的配子不育。

图2

③在产量低的甲品系水稻中发现了A、B 基因的等位基因A3、B3（广亲和基因），含有广亲和基因的杂合子，雌雄配子均可育。请写出利用甲品系培育出育性正常的籼-粳杂交稻的流程。（用文字或图示作答均可）

【答案】

【问题分析】

①证据：位于非同源染色体上的两对基因（A1、A2和B1、B2），A1A2杂合子所产生的含A2的雌配子不育；B1B2杂合子所产生的含B2的雄配子不育；F1结实率低。

论点：由于部分配子不育导致F1结实率低。

论证：

以籼稻（A1A1B1B1）与粳稻（A2A2B2B2）为亲本进行杂交得F1（A1A2B1B2），由于两对基因位于非同源染色体上，因此F1产生配子遵循基因自由组合定律，即产生基因型为A1B1、A1B2、A2B1、A2B2的雌雄配子各四种，其中含A2的雌配子和含B2的雄配子不育，可育配子只剩基因型为A1B1、A1B2的雌配子和基因型为A1B1、A2B1的雄配子四种，因此F1结实率低。

演绎过程：略。

演绎结果与论据比较，结果一致，论点正确。

【问题分析】

②证据：位于非同源染色体上的两对基因（A1、A2和B1、B2），A1A2杂合子产生的含A2的雌配子不育；B1B2杂合子产生的含B2的雄配子不育；若籼稻作为连续回交的亲本，则不能得到基因型为A2A2B2B2的籼稻。

论点：F1（A1A2B1B2）产生基因型为A2B2的配子不育。

论证：基因型为A2A2B2B2的籼稻由基因型为A2B2的雌雄配子结合而来，A1A2杂合子所产生的含A2的雌配子不育；B1B2杂合子所产生的含B2的雄配子不育，因此基因型为A2B2的雌雄配子均不育，不能得到基因型为A2A2B2B2的籼稻。

演绎过程：略。

【问题分析】

③证据：含有广亲和基因A3、B3的杂合子，雌雄配子均可育。F1（A1A2B1B2）产生基因型为A2B2的配子不育，籼稻作为连续回交的亲本，不能得到基因型为A2A2B2B2的籼稻。基因型为A1A1B1B1的粳稻与基因型为A1A1B1B1的籼稻杂交得到籼-粳杂种育性正常。

论点：将广亲和基因A3、B3整合到籼稻或粳稻上，再于粳稻或籼稻杂交可得到籼-粳杂种育性正常个体。

论证：含有广亲和基因A3、B3的育性正常的籼-粳杂种基因型为A1A3B1B3或A2A3B2B3，需获得与粳稻（A2A2B2B2）杂交的籼稻（A3A3B3B3）或与籼稻（A1A1B1B1）杂交的粳稻（A3A3B3B3），二者均可通过与甲品系杂交并连续多代回交筛选获得。

演绎过程：与籼稻杂交的粳稻（A3A3B3B3）获得方法过程相同，略。

2.小结

位于非同源染色体上的非等位基因遵循基因自由组合定律，从结果（证据）入手提出论点，再对假设进行论证，推出证据的充要条件，进而推测亲本、配子可能的基因型，演绎杂交过程，预期实验结果。

三、教学反馈与反思

1.教学反馈

利用遗传学研究方法进行解题，能够更深入地理解亲子代之间的基因传递规律与基因型对性状的控制情况。准确地找到论据是解题的关键，根据论据科学性地提出论点。论点的论证以及演绎的过程等，能够培养学生信息获取的能力、语言表达能力，培养学生的科学思维。

通过上述学习，学生能够找到论据、提出论点，即从子代性状分离比入手，猜测遗传方式及其遵循的遗传规律。在尝试论证、演绎的过程中，学生的逻辑思维、信号表达会出现断点，演绎过程则颇为顺利。

2.教学反思

学生的论证过程体现了学生解题的思维过程，从学生的论证过程中，不难发现，学生解题过程的矛盾点在根据论据对论点的逆向推理上，而演绎过程则颇为顺利。考虑为在课堂教学过程中，学生更易接受教材中的演绎过程，而关于孟德尔如何根据论据进行推理、猜想的过程难以体会、理解。