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高一生物集体备课-2-2-2基因在染色体上

[日期:2011-07-12]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:375[字体: ]

一、 教学目标
1.说出基因位于染色体上的理论假说和实验证据。
2.运用有关基因和染色体的知识阐明孟德尔遗传规律的实质。
3.尝试运用类比推理的方法,解释基因位于染色体上。
4.认同科学研究需要丰富的想像力,大胆质疑和勤奋实践的精神,以及对科学的热爱。
二、教学重点和难点
1.教学重点
(1)基因位于染色体上的理论假说和实验证据。
(2)孟德尔遗传规律的现代解释。
2.教学难点
(1)运用类比推理的方法,解释基因位于染色体上。
(2)基因位于染色体上的实验证据。
三、教学策略
本节教材内容是“总结人类对遗传物质的探索过程”的一部分,教学难点较多,是培养学生思维能力的好素材。因此,建议教师充分利用教材资源,围绕“基因在染色体上”的探索过程,精心设计学生参与的活动,引导学生开展思维探究。
本节教学用1课时完成。
1.认真处理本节“问题探讨”,联想用同源染色体取代孟德尔的遗传因子会出现的结果,引导学生关注染色体与基因的关系。
2.学生通过自己参与的活动,提出与萨顿假说相似的观点,体验成功的喜悦。建议引导学生画减数分裂过程示意图,据图发现基因与染色体的平行关系。经过思考和讨论认同基因在染色体上。
3.分析摩尔根等人的研究是教学难点。教师可在清晰表述摩尔根研究的同时,提出一系列问题,引导学生思考、探究、归纳,进而得出基因在染色体上的结论。
4.尝试运用研究成果解释孟德尔遗传规律。
(1)可引导学生进行“思考与讨论”栏目的教学活动,解释孟德尔的分离定律。
(2)在上述活动的基础上,引导学生在染色体上标注基因。画出自由组合定律的遗传过程图,并运用基因和染色体的概念解释孟德尔的自由组合定律。
5.运用类比推理的方法,推断基因与DNA长链的关系(如时间不够,可安排在课后练习完成)。
四、答案和提示
(一)问题探讨
这个替换似乎可行。由此联想到孟德尔分离定律中成对的遗传因子的行为与同源染色体在减数分裂过程中的行为很相似。
一条染色体上可能有许多个基因。
(二)技能训练
不同的基因也许是DNA长链上的一个个片段。
(三)练习
基础题
1.D。
2.B。
拓展题
1.这些生物的体细胞中的染色体虽然减少一半,但仍具有一整套非同源染色体。这一组染色体,携带有控制该种生物体所有性状的一整套基因。
2.提示:人体细胞染色体数目变异,会严重影响生殖、发育等各种生命活动,未发现其他染色体数目变异的婴儿,很可能是发生这类变异的受精卵不能发育,或在胚胎早期就死亡了的缘故。
五、参考资料
1.萨顿的工作及贡献
本世纪初W.Sutton对蝗虫的研究表明,不同对的染色体常常可以从形态和大小加以区别,父方和母方的染色体在减数分裂过程中联会。以后他把细胞学和遗传学的资料结合起来,说明了染色体在遗传中的作用,开创了细胞遗传学研究领域。1903年Boveri发表的论文也提出了类似的论点,他们一道建立了把基因和染色体传递联系起来的假说,称为SuttonBoveri假说。这个假说的内容如下。
(1)在体细胞中有两组相同的染色体,一组来源于父方,一组来源于母方。同源染色体的成对存在和基因的成对存在是平行的。
(2)染色体在细胞分裂的各个时期,保持其形态特点。基因也显示同样的连续性。
(3)减数分裂时,同源染色体配对,然后每对的两个成员分离,进入不同的生殖细胞,每对的分离和其他各对的分离是独立的。配子形成前的某个时期,基因也独立地分离。
(4)每个或每对染色体在生活和发育中都有一定的作用。基因也是这样。
Sutton和Boveri的工作促进了细胞遗传学的发展。Sutton同时还提出,如果有一些基因在同一染色体上,必然会是非独立分配的,否则,“各种性状的数目,……就不能超过染色体的数目。”由此可见,他已预见到连锁遗传现象。
2.摩尔根定位果蝇染色体上基因的方法
1910年5月,在摩尔根果蝇室的大群野生型红眼果蝇中出现了一只白眼雄果蝇。对于这只后来在科学史上非常出名的昆虫,摩尔根当时是爱护备至,努力使它在死亡之前与野生型红眼雌果蝇交配而留下了后代。摩尔根将实验结果写成以“果蝇的限性遗传”为题的论文,发表在1910年7月的《科学》杂志上。
摩尔根用这只白眼雄蝇与通常的红眼雌蝇交配时,子一代不论雌雄都是红眼,但子二代中雌的全是红眼,雄的半数是红眼,半数是白眼。如果雌雄不论,则子二代中红眼∶白眼为3∶1。这显然是个孟德尔比数,但与一般孟德尔比数不同的是,白眼全是雄蝇。
摩尔根做了回交实验。用最初出现的那只白眼雄蝇和它的后代中的红眼雌蝇交配,结果产生1/4红眼雄蝇、1/4红眼雌蝇、1/4白眼雌蝇、1/4白眼雄蝇,这也完全是孟德尔比数。
摩尔根根据实验结果,提出如下假设:控制白眼性状的基因W位于X染色体上,是隐性的。因为Y染色体上不带有这个基因的显性等位基因,所以最初发现的那只雄蝇的基因型是XWY,表现为白眼,跟这只雄蝇交配的红眼雌蝇是显性基因的纯合子,基因型是++。白眼基因W是突变基因,红眼基因+是野生型基因,因为这对等位基因都在X染色体上,所以为明确起见,分别记作XW和X+,Y代表Y染色体。
白眼雄蝇与纯种红眼雌蝇交配,白眼雄蝇的基因型是XWY,产生两种精子,一种精子带有X,上面有W基因,一种精子带有Y,上面没有相应的基因。红眼雌蝇的基因型是X+X+,产生的卵细胞都带有X,上面都有+野生型基因。两种精子(XW和Y)与卵细胞(X+)结合,子代雌蝇的基因型是X+XW,因为+对W是显性,所以表现型是红眼,子代雄蝇的基因型是X+Y,所以表现型也是红眼。子一代的红眼雌蝇与红眼雄蝇交配时,红眼雌蝇(X+XW)产生两种卵细胞:一种是X+,一种是XW。红眼雄蝇也产生两种精子:一种是X+,一种是Y。卵细胞与精子结合,形成4种合子,长大后,雌蝇都是红眼(X+X+和X+XW),而雄蝇中一半是红眼(X+Y),一半是白眼(XWY),表现型比例是2∶1∶1。
在摩尔根所做的回交实验中,子一代红眼雌蝇与白眼雄蝇交配,子一代红眼雌蝇的基因型是X+XW,产生两种卵细胞,一种是X+,一种是XW。白眼雄蝇的基因型是XWY,产生两种精子,一种是XW,一种是Y。雌雄配子结合后,如图17所示。

后代有4种表现型:红眼雌蝇(X+XW)、白眼雌蝇(XWXW)、红眼雄蝇(X+Y)、白眼雄蝇(XWY),比例是1∶1∶1∶1。摩尔根圆满地说明了他的实验结果。为了验证他的假设,他又设计了三个新的实验。
(1)根据假设,子二代雌蝇虽然都是红眼,但基因型有两种,半数是X+X+,半数是X+XW,所以子二代雌蝇与白眼雄蝇做单对交配时,应当半数子二代雌蝇所产的后裔全部是红眼,半数子二代雌蝇则与子一代雌蝇回交一样,所产的后裔是1/4红眼雌蝇、1/4白眼雌蝇、1/4红眼雄蝇、1/4白眼雄蝇。
(2)根据假设,白眼雌蝇与红眼雄蝇交配时,子代中雌蝇都是红眼,雄蝇都是白眼。
(3)根据假设,白眼雌蝇和白眼雄蝇交配时,子代雌雄都是白眼,而且以后也能真实传代,成为稳定的品系。 这三个实验中,以第二个实验最为关键,实验的结果跟预期完全符合,假设得到证实。 这样摩尔根就把决定红眼和白眼的基因定位在X染色体上。
3.现代基因定位技术
基因定位(gene mapping)是指利用一定的方法将一个基因确定到染色体上的实际位置。基因定位同基因组作图和基因克隆的关系十分密切。将基因定位在染色体的某一位置上之后,其本身就可作为基因组作图时的一个界标。同时,当在基因组图谱上确定某一基因所在的位置后,就可以按图来分离克隆基因。因此,基因定位是基因组研究的一个重要组成部分。不同生物的基因定位方法不完全相同。
(1)体细胞杂交定位  离体培养的亲缘关系较远的动物体细胞相互融合后,杂种细胞往往会排除一种亲本细胞的染色体。例如,人和小鼠的体细胞在细胞质和细胞核均合二为一后,这种杂种细胞每分裂一次,就排除人的一些染色体。经过若干次分裂后,杂种细胞在丢失了人的一部分染色体后达到相对稳定的状态。这时杂种细胞包含了小鼠的全套染色体和人的一条或几条染色体。当一些杂种细胞所含的人的染色体,加在一起含盖了人的全部染色体,即22条常染色体,X和Y染色体时,这些杂种细胞就构成了整套杂种细胞系,可用于人的基因定位。常用的有克隆分布板法和利用染色体异常将基因定位在染色体上具体位置的方法。例如,利用染色体缺失进行定位。此法无需从病人体内获得有关染色体异常的细胞,而是用人工方法在体外造成杂种细胞内特定染色体的不同位置发生断裂,形成各种类型的末端缺失,获得一套特定染色体的缺失杂种细胞,然后通过检测缺失杂种细胞内基因产物存在与否对许多基因进行区域定位。1986年复旦大学遗传研究所利用此法,将编码乙醇脱氢酶基因首先定位在染色体的相应位置上。
(2)原位杂交定位  这是分子水平和染色体水平相结合的基因定位方法。将待定位基因的特定DNA序列、该基因转录产生的RNA分子或RNA分子经反转录产生的cDNA作为探针,在标记了放射性同位素或非放射性化学物质后,与变性后的染色体DNA杂交,该探针就会同染色体DNA中与其互补的序列结合成为双链,通过放射自显影或显色技术,就可显示标记了放射性同位素或非放射性化学物质的探针在染色体上的位置,达到基因定位的目的。
(3)辐射杂种细胞基因定位  这是杂种细胞基因定位法的发展。基本原理是人/鼠杂种细胞中的人染色体是经射线处理后残留下来的带有着丝粒的染色体片段,不同的杂种细胞带有人的不同染色体的不同长度的片段。在做基因定位时,如待测基因出现在残留的一个长片段上,而在比该长片段更短一些的片段上消失不见,就可把该基因定位在长片段变成短片段时所丢失的那个区域内,这样的基因定位就更为精细。为此,需要建立一系列含有不同长度的人的各条染色体的杂种细胞。目前常用的方法是用PCR技术来确定哪条染色体或哪条染色体片段的DNA中,含有待定位的基因,然后用电脑软件分析数据,将待测基因定位在染色体的某一位置上。
(4)克隆基因定位法  采用已克隆基因的cDNA探针与保留在杂种细胞内的人染色体DNA顺序进行分子杂交,来确定克隆基因所在的染色体。例如,要定位人体白蛋白基因,需要应用人体白蛋白基因cDNA做为探针,分别与经过HindⅢ酶切后的人体细胞和中国仓鼠卵巢细胞(CHO)杂交。杂交后的人体细胞DNA显示6.8 kb带型,CHO细胞的DNA显示3.5 kb带型。进一步在含有人体4号染色体的人—CHO杂种细胞中,用HindⅢ酶切后,再与白蛋白基因的cDNA探针杂交,如果出现6.8 kb和3.5 kb带型者称为阳性杂种细胞,而不含有人体第4号染色体的杂种细胞中只显示3.5 kb带型为阴性细胞。由于人体白蛋白基因的cDNA探针的特异性,HindⅢ杂交带只出现在含有人体4号染色体的杂种细胞中,所以将此基因定位在4号染色体上。
(5)完成基因组测序后,可以在解读整个基因组的基础上,寻找和定位基因。常用的方法有两种。其一,根据已知的顺序人工判读或计算机分析寻找与特定基因有关的序列;其二,实验研究,看其能否表达基因产物及其对表现型的影响。


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