例谈建模在快速解答遗传大题中的应用

浙江 严开银 胡国英

1.引言

从表1 中可得知，从2015 年10 月到2020 年7 月，浙江省七选三高考改革已开展五年，已进行了10 次选考考试，其中遗传大题从最开始的第31 题7 分，调整为如今的第28 题9 分，由此说明遗传学内容在评价学生学科核心素养上有重要作用。同时，笔者经过分析发现在近5 年浙江省10 次高中生物学选考中，遗传学知识考查相对分布在表1 中的5 点上，即①判断相对性状的显隐性；②判断基因所在的染色体；③确定相关个体的基因型；④计算子代中相关基因型或表现型的比例；⑤遗传图解绘制。并且，通过对每次生物学选考遗传大题研究，笔者还发现以上5 个知识点通常会按一定顺序呈现在各小题中，这说明遗传大题各小题的解答有逻辑可循，有递进关系。

表1

续表

考试是一种在限定时间内对教学效果进行评价的方式，在生物学选考考试过程中，学生解答遗传大题的时间一般仅有10 分钟。这要求学生在解答过程中要思路清晰，能快速从题干中提取有效信息并正确书写。这在一定程度上是对学生高层次科学思维能力的考查与分层。因此，教师将遗传大题解答训练作为一个复习专题是有价值的。本文研究目的是通过引导学生进行建模，找出表现型比例与“显隐性相对性状、基因所在染色体、相关个体基因型判定”之间的关系，提高科学思维能力。在解答问题过程中，学生通过建模方式透过表面看本质，“看见”子代性状分离比所隐藏的信息，实现思维过程可视化。

2.实例分析

2.1 实例一：两对基因决定两对相对性状

【例1】某昆虫眼色的野生型和棕色眼、野生型和朱红眼分别由等位基因A、a 和B、b 控制，两对基因在染色体上的分布示意图如图1。某野生型雌性个体与野生型雄性个体杂交，F1雌性个体中野生型303 只、棕色眼102 只，雄性个体中野生型152 只、朱红眼148 只、棕色眼49 只、白眼50 只。

图1

（1）亲本的基因型为____________。

（2）F1表现为棕色眼的个体基因型为____________。

【答案】（1）AAXBXb、AaXBY（2）aaXBXB、aaXBXb、aaXBY

2.1.1 问题分析

问题（1）中亲本的基因型是指题干中“某野生型雌性个体与野生型雄性个体”的基因型。解答该问题需要通过F1个体的表现型及比例等条件从子代到亲本逆向推导出答案。而解答问题（2）需要得出亲本基因型后，通过绘出遗传图解呈现杂交过程才能得出答案。

2.1.2 构建模型

第一步：根据题意，建立杂交过程图（如图2）；将题目中的杂交过程模型化，明晰相关信息，为“基因与性状关系”分析做准备。

图2

第二步：拆分比例（如图3）；对子代雌雄个体表现型比例进行拆分，拆分为两对相对性状及其比例，查看不同相对性状在雌雄后代中比例是否相同，判定基因是否为伴性遗传。

图3

第三步：由子代向亲代，逆推亲本基因型（如图4）。由于子代中雌雄个体野生型：棕色眼性状均为3∶1，故确定为常染色体遗传，逆向推导出亲本基因型应为Aa 与Aa；根据拆分结果发现，另一对基因B、b 决定的性状分离比在子代雌雄个体中不一致，故该对基因为伴性遗传，并推导其基因型为XBXb与XBY。故亲本基因型为AaXBXb与AaXBY。

图4

第四步：利用两对相对性状自由组合进行验证。将亲本两对基因拆分进行杂交，分别得到AA∶Aa∶aa=1∶2∶1 与XBXB∶XBXb∶XBY∶XbY=1∶1∶1∶1，两对相对性状比分别为A_∶a a=3∶1 与XBX-∶XBY∶XbY=2∶1∶1；再通过两对相对性状的自由组合进行验证（如图5），验证子代表现型及比例是否与题干中条件、结果相符。

图5

2.1.3 思路点拨

从第三步中可知问题（1）中亲本基因型为AAXBXb、AaXBY；从第四步中可推知题（2）F1表现为棕色眼的个体基因型为aaXBXB、aaXBXb、aaXBY。使用四步建模的方法得到模型，可以直接提取解答问题所需的答案，帮助学生梳理思路，使思维过程可视化，避免解题过程出现复杂的推导，从而快速得出结果。

2.2 实例二：两对基因决定一个性状的三对相对性状

【例2】某雌雄异株植物的花色由两对基因A、a，B、b 控制其中B、b 基因位于性染色体上，且所有基因均不位于Y 染色体上，当A、B 同时存在时为紫花。将紫花雌株与白花雄株杂交，F1无论雌雄全为紫花，F1雌雄植株相互杂交后得到F2如表2 所示。请回答：

表2

（1）亲本基因型为____________。

（2）F2紫花植株中纯合子占____________。

【答案】（1）AAXBXB、aaXbY（2）2/9

2.2.1 问题分析

问题（1）中亲本的基因型是指题干中“紫花雌株与白花雄株”的基因型。解答该问题需要通过F2个体的表现型及比例等条件逆向推导出答案。确定F2紫花植株中纯合子所占比例，需得出F1基因型后才能解答。

2.2.2 构建模型

第一步：根据题意，建立杂交过程图（如图6）。

图6

第二步：拆分比例（如图7）。

图7

第三步：逆推亲本基因型（如图8）。通过拆分比例可知，紫花与蓝花性状在子二代雌雄个体中的比例相同，与性别无关，故为常染色体遗传。按遗传规律，拆分出的另一对基因决定的性状比为2∶0 与1∶1，由于在雌雄中的比例不同，故该对基因为伴性遗传。

图8

第四步：利用F1间雌雄相互交配，获得F2中两对相对性状的自由组合进行验证（如图9）。

图9

2.2.3 思路点拨

从第三步中可知问题（1）中亲本基因型为AAXBXB、aaXbY ；从第四步中可推知问题（2）F2紫花植株中纯合子占2/9。

2.3 实例三：两对基因决定一个性状的三对相对性状，且存在配子致死

【例3】大花女娄菜是一种雌雄异株的二倍体植物，其性别决定方式为XY 型。其花瓣中色素代谢过程如图10，当蓝色素与红色素同时存在时为紫花，决定两种色素合成的基因独立遗传。现有两红花植株亲本杂交得到F1，F1的表现型比例如图11 所示。

图10

图11

（1）控制蓝色素合成的基因是位于___________染色体上的_____（填“A”或“a”）。

（2）F1中分离比异常的原因是_______________________________，如果对雄性亲本进行单倍体育种并获得相应植株，所获得的雌株表现型及比例应为____________。

【答案】（1）X a（2）雄配子或雌配子B 致死时均会导致子代中红花与白花的性状比为1∶1全为白花（bbXAXA）或白花（bbXAXA）与红花（BBXAXA）=1∶1

2.3.1 问题分析

问题（1）判断蓝色素的基因显隐性及是否为伴性遗传和问题（2）F1中分离比异常原因，均需要通过F1表现型及比例等条件逆向推导出亲本基因型，并验证F1中各表现型和基因型后才能得出答案。

2.3.2 构建模型

第一步：根据题意，建立杂交过程（如图12）。

图12

第二步：拆分比例（如图13）。

图13

第三步：逆推亲本基因型。推导亲本基因型时，利用拆分比例可知，白与红性状在后代雌雄个体中的比例相同，与性别无关，所以为常染色体遗传。子代中白与红性状比为1∶1，为测交后代比例，按规律推测亲本基因型为Bb 与bb，表现型为红花与白花，但亲本均为红花，故不符合推测。思考亲本均为红花条件下是否能够杂交产生红花与白花后代且比例为1∶1。使用棋盘法进行推导（如图14），当雄配子或雌配子B 致死时均会导致子代中红花与白花的性状比为1∶1。由此确定两亲本基因型均为Bb。另一对等位基因在子代雌雄中的比例分别为2∶0 与1∶1，雌雄中比例不一样，故为伴性遗传。由于子代雄性中白与蓝的比例为1∶1，故母本基因型为XAXa；而子代雌性均为白，故父本基因型为XAY（如图15）。

图14

图15

第四步：利用F1中两对相对性状自由组合进行验证（如图16）。

图16

2.3.3 思路点拨

从第四步中可知问题（1）中蓝色素基因是由位于X 染色体上的a 基因决定的。从第三、四步可知问题（2）F1分离比异常的原因是“雄配子或雌配子B 致死时均会导致子代中红花与白花的性状比为1∶1”；如果对雄性亲本（BbXAY）进行单倍体育种，所获得的雌株表现型及比例应为“全为白花（bbXAXA）或白花（bbXAXA）与红花（BBXAXA）=1∶1”。

2.4 实例四：两对基因决定两对相对性状，且存在基因纯合致死

【例4】某种昆虫的眼色的朱红色和红色、眼形的正常眼和棒眼分别由等位基因A、a 和B、b 控制，两对等位基因分别位于两对同源染色体上，且存在基因纯合致死现象。为研究其遗传机制，选取一对朱红眼正常眼昆虫进行杂交实验，得到F1表现型及数目如表3：

表3

（1）控制眼色的基因位于________染色体上，判断的依据是_____________________________________。

（2）亲本朱红色正常眼昆虫的基因型为和________。F1昆虫中致死的基因型为____________。

【答案】（1）X 朱红眼与红眼的比例在雌雄个体中不同（2）BbXAXaBbXAY bbXAXA和bbXAY

2.4.1 问题分析

问题（1）判断控制眼色的基因是否位于性染色体上，需要根据F1雌雄个体中两对相对性状比例进行判断。问题（2）推导出亲本朱红色正常眼昆虫基因型，需要通过F1表现型及比例逆向推导出亲本基因型；问题（2）中F1昆虫致死基因型，需通过亲本基因型决定的两对相对性状自由组合验证后，才能推导得出。

2.4.2 构建模型

第一步：根据题意，建立杂交过程图（如图17）。

图17

第二步：拆分比例；由表3 可知雌性中正常眼与棒眼的比例为6∶1，雄性中正常眼与棒眼的比例为（3+3）∶（1+0）=6∶1，未致死时比例应为6∶2，有1 份朱红棒眼雄性昆虫致死。同理，结合第（2）题题干“F1昆虫中致死的基因型为”，可知有朱红棒眼致死，故未致死时比例为6∶2=3∶1；故拆分比例如图18 所示。

图18

第三步：逆推亲本基因型（如图19）。

图19

第四步：利用两对相对性状的自由组合进行验证（如图20）。

图20

2.4.3 思路点拨

从第二步可知朱红眼与红眼的比例在雌雄个体中不同，故该对性状为伴性遗传，基因A、a 位于X 染色体上。从第三步可得出亲本朱红色正常眼昆虫的基因型为BbXAXa与BbXAY；从第四步可得出F1昆虫中致死基因型为bbXAXA与bbXAY。

2.5 实例五：两对基因决定两对相对性状，基因纯合致死且一对基因位于X、Y 染色体上

【例5】（2018 年4 月，浙江卷，第31 题节选）某昆虫的红眼与朱红眼、有眼与无眼分别由基因A（a）、B（b）控制，其中有一对基因位于性染色体上，且存在两对隐性基因纯合致死现象。一只红眼雌性个体与一只朱红眼雄性个体交配，F1雌性个体中有红眼和无眼，雄性个体全为红眼。让F1雌雄个体随机交配得F2，F2的表现型及比例如表4。

表4

回答下列问题：

（1）有眼对无眼为_______性，控制有眼与无眼的B（b）基因位于_______染色体上。

（3）F2红眼雄性个体有_______种基因型。

【答案】（1）显 X 和Y（3）4

2.5.1 问题分析

问题（1）中判断相对性状显隐性及其是否为伴性遗传问题，均需通过F2表现型及比例等条件逆推出F1和亲本基因型，并验证F2中各表现型和基因后才能得出答案。问题（3）推导出F2红眼雄性个体基因型类型，需得出F1雌雄个体基因型并进行两对相对性状自由组合方可得出答案。

2.5.2 构建模型

第一步：根据题意，建立杂交过程图（如图21）。

图21

第二步：拆分比例。结合该题干“存在两对隐性基因纯合致死现象”可知，F2中有致死个体，故未致死时雌性中的性状比例应约为3∶1∶2。拆分后比例如图22 所示。

图22

第三步：逆推亲本基因型（如图23）。从第二步可知红眼与朱红眼的比例在雌雄个体中相同，基因A、a 位于常染色体上。有眼（红眼和朱红眼）与无眼相对性状在雌雄个体中比例不同，故为伴性遗传。由于在F1、F2中雄性均为有眼性状，雌性中有、无眼性状均有。

图23

第四步：从第三步可知常染色体遗传的基因A、a，在F2中A _与aa 的比例为3∶1；有无眼相对性状在F2中比例，可根据F1个体的雌雄配子比例，通过棋盘法（如图24）得 出XBXB∶XBXb∶XbXb∶XBYB∶XbYB=1∶4∶3∶2∶6，即XBX-∶XbXb∶XBYB∶XbYB=5∶3∶2∶6。然后，利用两对相对性状的自由组合进行验证（如图25）。

图24

图25

2.5.3 思路点拨

从第二步可知问题（1）中有眼对无眼为显性；从第三步、第四步可知问题（1）有眼与无眼基因B（b）位于X、Y 染色体上。从第四步可知问题（2）F2红眼雄性个体有4 种基因型，即AAXBYB、AaXBYB、AAXbYB、AaXbYB。

3.总结与反思

解决遗传学问题需要学生有较高的思维能力，因此，遗传学问题是非常好的思维训练材料，适当训练可有效提升学生的思维能力。对于偏理科思维的学生而言，练习过程无异于攀爬一座一座高山，当成功解答问题时，学生会有较高成就体验。但对于偏文科思维的学生而言，就显得难以着手，练习过程中甚至可能产生挫折感。笔者认为不管对哪一类学生，在遗传学问题的解答上，一定要帮助学生找到突破口。因此，笔者梳理了以上解答遗传大题的四步建模法，即首先，要厘清相关信息，建构杂交过程图能很好地帮助学生梳理信息，实现信息整合；其次，进行子代性状分离比拆分，帮助学生快速理解题意，找到突破口；第三，利用已有的每对相对性状分离比，逐对地推出亲本基因型；第四，通过亲本基因型推导出子代基因型与表现型，对题干信息进行验证，同时也为遗传大题中“计算子代相关基因型、表现型比例和绘制遗传图解”做准备。通过该方法，可有效帮助学生梳理遗传大题中的重要信息，化繁为简，快速解决问题。从笔者任教班级的学生反馈来看，学生通过使用该方法能够减少在“基因或基因型”与“性状或表现型”匹配关系上花费的时间，并提高了“基因所在染色体判断、亲本或子代基因型判断、遗传图解绘制”问题的正确率。

目前浙江省普通高校招生选考科目考试生物试题中遗传大题，均为两对非同源染色体上非等位基因决定两对相对性状的相关问题。因此，对于这类问题解决，教师需要帮助学生理解好自由组合定律的本质，即“两对非同源染色体上的两对非等位基因在形成配子过程中自由组合形成四种配子”。在此基础上学生还需要练习各种变式试题，防止思维定式。