大學遺傳學教學中幾個難點、疑點內容分析論文

遺傳學是生物技術、農學、園藝、植物保護等專業的一門重要專業基礎課，學生普遍反映這是最難學習和掌握的一門課程。就學生而言，遺傳學的絕大部分內容不能單靠記憶而需要推理和思考才能掌握，尤其是遺傳學同概率論和統計學聯繫甚緊，這對於數學基礎較薄弱的學生來説尤為吃力；就教師而言，如何對遺傳學概念之間及遺傳現象的外在表現和內在本質之間相互聯繫闡述清楚"對學生的理解至關重要。在實際教學中，為了使學生理解和掌握教材中的某些難點疑點內容，教師必須對教材中前後章節相互聯繫’加以分析、比較和綜合，或者就相關內容加以補充才能達到良好的教學效果。以下就遺傳學的難點和疑點教學進行分析。

1、基因、等位基因和復等位基因

基因是包含轉錄成RNA分子的遺傳信息的遺傳單位，基因轉錄成的RNA分子經加工後或者直接發揮作用，或者翻譯成一段肽鏈。基因可以在不同位置上或以不同的方式突變形成不同的形式，基因的不同形式稱為等位基因。基因作為染色體上的一段核苷酸序列，每一個核苷酸可以是A、G、C或T，n個核苷酸組成的序列理論上可以在任意核苷酸位置上向其它3種核苷酸突變，因而n個核苷酸長度的基因，其可能存在單核苷酸差異的等位基因數目為3xn，如果包括兩個或兩個以上核苷酸差異，以及其它不同類型的突變，那麼不同的等位基因的數目就更多，可以把存在兩個以上的等位基因稱為復等位基因。基因在實驗中為組成單個互補羣6omplementationgroup)的一系列突變或等位基因所限定。在互補測驗中，同一互補羣內的等位基因不存在互補關係。

絕大多數復等位基因存在於自然羣體中，但實際上所有可能的等位基因並不同時存在，其中有些不曾發生，有些雖曾發生，但由於偶然因素或突變的有害性而自然剔除，也可能以極低頻率存在而很難檢測到。有時一個基因的復等位基因因偶然因素而存在，並且反映其突變歷史，例如自交不育基因。需要指出的是，一個基因的多種形式的復等位基因都可能在羣體中存在，但在具體某個真核生物個體指二倍體）中只存在復等位基因中兩個相同的或不同的成員，因為每一個二倍體體細胞中染色體以同源染色體對存在，而等位基因則位於同源染色體對中兩個染色體上的對等位置。

2、三大遺傳規律與減數分裂

分離規律也稱孟德爾第一定律）、獨立分配規律也稱孟德爾第二定律）和摩爾根發現的連鎖遺傳規律並稱為三大遺傳規律。分離規律揭示的是一個基因或位於同源染色體上的一對等位基因的遺傳規律，其內容是在形成配子時，配對的遺傳因子等位基因）相互分離，使得每一個配子都以同等概率包含一對遺傳因子等位基因）中的任何一個。獨立分配規律揭示的是分別位於不同染色體上的兩個或兩個以上的基因或在同一染色體上距離足夠遠的等位基因對之間的遺傳關係，其內容是在形成生殖細胞時任一等位基因對的分離與其它等位基因對的分離相互獨立。連鎖遺傳規律揭示的是位於同一條染色體上且重組率低於50%的兩個基因之間的遺傳關係。如果重組率等於50%，則説明兩個基因是獨立分配的，這兩個基因既可能位於非同源染色體上，也可能位於同一條染色體上但距離足夠遠；換言之，位於同一條染色體上的基因（同線基因，sytenicgenes)並不一定就連鎖在一起遺傳，因為連鎖意味着重組率低於50%，而兩個基因距離足夠遠時實質上是不連鎖的。連鎖遺傳的內容是在產生配子時，連鎖的兩個基因在向配子中分配時，重組型配子的比例遠遠少於親本型配子比例不完全連鎖）或全部是親本型配子完全連鎖）。

對三大規律的理解必須從減數分裂過程中的染色體行為去理解，因為基因位於染色體上並呈線性排列，正是染色體的行為導致載荷在其上的基因的分離和重組。在減數分裂中第一次分裂後期，同源染色體對的兩個成員分離並向相反兩極運動，等位基因隨之而分離幷包含在子細胞中，這就是分離規律的細胞學基礎。在減數分裂的第一次分裂中期，每一對同源染色體或着絲粒）在細胞板附近有兩種排列方式或取向），後期向兩極移動幷包含在子細胞中就有兩種組合方式，兩對就有4種排列和組合方式，n對就有2+種排列和組合方式。因此位於非同源染色體上的雜合基因相互獨立分離，隨機組合，n對雜合基因產生2n種等比例的配子類型，這就是獨立分配規律的細胞學基礎。連鎖遺傳的細胞學基礎在於減數分裂第一次分裂前期同源染色體的配對聯會並形成交叉結，在此處斷裂重結，引起染色體片段的交換和基因重組，因此子染色體中帶有母染色體中不曾有的非等位基因的組合。不論兩個基因的等位基因是相引相順式）構型還是相斥相反式）構型，兩個基因的重組都以相同的頻率發生。如果兩個基因在同一條染色體上距離較遠，以至其間交換具有100%的.機會，那麼重組率為50%，即兩個基因不具連鎖關係，就相當於獨立分配的情況。

3‘多因一效”和“一因多效”

基因對性狀表達的決定作用首先是通過基因經轉錄指導蛋白質酶）的翻譯合成，然後催化具體的生化反應而實現的。生物體的絕大多數性狀表達受多個基因的影響，例如沒有人確切知道大腦和神經系統的發育和成熟涉及多少基因，估計至少有數千之多，這還不包括負責細胞代謝和基礎生命功能的那些基因。另一方面，一個基因可以產生多種效應，這些效應有時似乎沒有任何關聯，這種效應稱為多效性^leiotropicef-fect)，例如白毛藍眼的貓40%天生耳聾。由於基因的作用是通過具體的生化途徑實現，而一個性狀的表達往往需要多個步驟才能完成，同時有機體的生化基礎是十分複雜的交叉網絡，其中不同的酶可能催化同一種底物，或產生相同的產物，或受應於同一調控因子，所以一個性狀受多個基因影響”和一個基因有多種效應”就不難理解了。

需要指出的是，課本中所説的‘豌豆花色由單個基因顯性等位基因P和隱性等位基因p)決定”並不意味着花色遺傳只需要1個基因，而是指存在這麼兩個品系或品種，其中之一開紫花，另一開白花，表現型差異是由PP和pp基因型不同而引起的。實際上除P之外，仍然需要其他許多基因才能決定紫花的着色，這些基因既可能是控制花青甙合成生化途徑上的基因，也可能是花器官發育生化表達所需要的基因。開白花的植株其表型也並不一定是pp基因型，所有其他決定花色遺傳所需的基因之一發生突變都可能引起白花表現型。

在課本第四章第四節有關‘多因一效”的一種最簡單情形一非等位基因互作引起9:3:3:1比例的改變的教學中，如果不補充講述每一種基因互作的生化基礎，則學生很難理解這種改變到底意味着什麼。在互補作用中，兩個白色親本雜交,AbbxaaBB)產生紫色的Fi代AaBb)，i代自交產生9紫色:7白色的表現型比例，其生化基礎為一種簡單的鏈式反應，A基因可指導合成酶A，B基因可指導合成酶B;酶A可將底物轉變成白色中間產物，酶B以此為底物，催化合成紫色終產物，即白色底物酶!白色產物酶B紫色產物。隱性上位作用中，紅色親本Aabb)x白色親本)產生紫色Fi代AaBb)，Fi代自交產生9紫色：3紅色：4白色的表現型比例，其生化基礎仍是一種簡單的鏈式反應：

白色底物紅色產物酶！紫色產物。在顯性上位作用中，紫色親本AAbb)x紅色親本)產生紫色的Fi代AaBb)，i代自交產生12紫色:3紅色:1白色的表現型例，其生化基礎較前兩種複雜，酶A和酶B可競爭同一種底物，但前者的底物親和性更強，酶A可將底物轉化成紫色產物，酶B可將底物轉變成紅色產物，但只有在酶A不存在時，酶B才起作用。具體生化途徑為：紫色產物酶A白色底物酶B紅色產物。

4圖距和重組率

用以表示染色體上基因的相對位置和距離的遺傳圖譜5eneticmap)又稱為連鎖圖譜linkagemap)或染色體圖譜Chromo?somemap)。遺傳圖譜上的距離單位為圖單位6apunit)，在基因之間間隔不太大的情況下，1個圖單位或1centimorgan(縮寫為cM)等於1%的重組率frequencyofre-combination)。1個圖單位的物理意義為每50個細胞經減數分裂平均形成1次交換Crossover)的染色體距離。由於發生交換的同源染色體對的4條染色單體中只有兩個成員參與，所以2%的交換對應1%的重組率。但當兩個基因或遺傳標記之間的距離較遠，其間可能發生兩次以上的交換時，圖距用圖單位或cM表示還是用重組率表示差別較大。原因在於圖單位測量的是基因之間發生交換的次數，即圖距碰)=1/2)x每個減數分裂細胞兩個基因之間平均交換數目）x100，而重組率反映的是在某個特定的試驗中實際觀察到的重組數目，是一種交換的淨結果。在圖距相對較大足以發生兩次以上交換時，偶數次交換結果相互抵消，淨結果等於沒有交換，在重組率中是反映不出來的，所以圖距用圖單位和重組率表示是不同的，後者低估了實際的遺傳距離。

由於交換髮生在染色體經複製後的減數分裂中的四線階段曲四條染色單體組成的二分體階段），當兩個基因之間的距離不大，只容許發生1次交換時，最大重組率為50%課本中巳詳述）。實際上當兩個基因相距較遠，容許發生多次交換或多線交換統稱多交換，multiplecrossovers)時，最大重組率仍然為50%。以雙交換為例，共有4種情況：雙線雙交換，完全不產生重組型染色單體，即重組率為0；線雙交換結果與雙線單交換效果無異，重組率為50%；線雙交換，產物全部為重組型染色單體。最後的結果為：1/4)0)+1/2)2)+1/4)4)2，即4條染色單體發生的雙交換中，平均產生2條重組型染色單體，所以最大重組率仍為50%。實際上由於染色單體干涉Chromatidin-terference)而使得重組率低於50%目前在所有生物中尚未發現引起重組率大於50%的正向干涉，只有引起重組率低於50%的負向干涉）。

圖距挪）和重組率之間因干涉大小不同而存在一定的函數關係，即遺傳圖譜繪製函數？eneticmappingfunction)。當干涉為1時，函數為50cM圖距對應於50%重組率的直線關係；當干涉為0時，函數為重組率r7(1/2)(1-ed圖距)/50)曲線；實際干涉0和1之間，那麼函數呈現兩者之間的某一種曲線；當兩個基因之間的距離小於10~15cM時，不論干涉如何，幾乎不會產生雙交換，重組率完全對等於圖距，即函數呈直線性關係。

5三點測驗繪製遺傳圖譜

對於一系列連鎖基因，如果相鄰基因之間的距離不大D10cM)以致其間不能形成多交換時，就可以測定相鄰基因的距離，然後相加，得出間隔較長的多個連鎖基因的距離，即連鎖基因的距離具有可加性，這樣估算遺傳圖距可以避免多交換相互抵消的效果，這是重組的重要特徵，也是繪製遺傳圖譜的原理。對於三個緊密相鄰的連鎖基因，既可採用兩點測驗的方法，也可用三點測驗的方法繪製遺傳圖譜，但後者更有效，也更準確。原因是三點測驗只用1次雜交和測交，而兩點測驗需要3次，而且三點測驗估算了兩點測驗中無法檢測的雙交換這裏指位於中間的那個基因同時分別與另外兩個基因之間單交換產生的雙交換），因而實際估算得到的重組率要比兩點測驗中的更大，也更接近基因的實際遺傳距離。

三點測驗繪製遺傳圖譜的具體步驟如下:①根據三基因雜合體的測交結果，判斷3個基因的關係。如果3個基因分別位於不同的非同源染色體上，那麼應遵循獨立分配規律，測交後代表現型紂應於F1代產生的配子類型，以下同）應為23=8種，且彼此數目接近或相等。如果兩個基因位於一條染色體上，另外一條位於另一條染色體上，那麼在測交後代的8種表現型中，可分為兩組，每組的4個數據接近或相等；如果3個基因位於同一條染色體上，那麼測交後代的8種表現型中可分為4組，每組的兩個數據接近或相等。②在3個基因連鎖的情況下，首先根據測交後代的表現型區分出數目最大的一組兩個親本型）、數目最小的一組兩個雙交換類型）和另外兩組單交換類型，然後對比親本型和雙交換類型，找出位置居中的基因親本型和雙交換類型相比，相互交換了的那個基因一定是居中的基因），由此可確定3個基因的順序。單交換類型中確定居中基因與另外兩個基因中的那個發生的交換也按此法。③根據基因的正確順序重新書寫親本型、單交換類型和雙交換類型的配子基因型和測交結果。④計算居中基因與另外兩個基因的重組率往意要將單交換和雙交換相加才是居中基因與另外兩個基因實際發生的雙換）。⑤根據基因順序和相鄰基因的重組值繪製遺傳圖譜。⑥計算理論雙交換、符合係數和干擾係數。需要指出的是，理論雙交換等於居中基因與另外兩個基因的交換非單交換）或重組率的乘積。

6遺傳圖距和物理距離

一般而言，基因或遺傳標記之間的物理距離越大，其間發生交換的機會就越大，通過重組率估算的遺傳圖距也就越大，但物理距離與遺傳圖距之間的對應關係並不是絕對的，生物個體的性別、年齡等都是影響因素。其中的一個極端例子是果蠅雄性個體的染色體沒有交換髮生，因此儘管兩性個體染色體相同，也具有相同的基因序列’但雄性個體染色體上測得的遺傳距離為0，其上的基因表現完全連鎖，而雌雄個體染色體上的基因可正常交換，表現不完全連鎖。即便在同一條染色體上，不同區域的交換頻率也是不同的，異染色質區域很少發生交換，而常染色質區域則正常，交換頻率在着絲粒處偏低，接近端粒處偏高。同樣物理距離的染色體片段，如處於交換頻率低的區域，則實測的遺傳圖距要比高的區域要短得多。

7基因內重組和基因的精細結構

1940年以前根據遺傳分析和顯微觀察而提出染色體的“串珠6eads-on-astring)”模型認為，基因是染色體錢”上的一個接一個排列的珠”，被當作最小的遺傳單位和突變單位，重組只發生在其間，而不發生在其內。隨着遺傳學的發展，人們認識到基因作為一段核苷酸序列，在基因內部既可發生基因內重組intragenicrecombi?nation)，也可發生突變，基因內部不同核苷酸位置發生的不同形式突變形成一系列等位基因。對基因的精細結構分析表明，基因內部又可進一步分為重組子、突變子等更小的單位，基因巳不再是不可分割的最小的遺傳單位。