“果蠅的雜交”實驗教學

王 芳 杜玉芬

（1 北京市第十五中學 北京 100054 2 北京市西城區(qū)教育研修學院 北京 100035）

果蠅的雜交實驗是高中生物學必修2《遺傳與進化》模塊中的經(jīng)典發(fā)現(xiàn)實驗。由于果蠅易于培養(yǎng)，繁殖迅速，性狀明顯，因此果蠅的雜交實驗也是高中生物學課程中為數(shù)不多的、易于重復的經(jīng)典實驗。高中學生通過動手實踐完成這一經(jīng)典發(fā)現(xiàn)的歷程，獲得雜交結(jié)果的實驗數(shù)據(jù)，再從數(shù)據(jù)的分析中得出遺傳的規(guī)律，這樣就能真正自主地形成學科的核心理論。

1 實驗內(nèi)容

“果蠅的雜交” 實驗包括3 個方面的內(nèi)容：①果蠅培養(yǎng)基的配置和果蠅的接種；②純種果蠅性狀觀察和性別鑒定；③果蠅的雜交。

2 實驗材料

1）儀器：高壓蒸汽滅菌鍋、恒溫恒濕培養(yǎng)箱、實體解剖顯微鏡（可用普通放大鏡替代）、二氧化碳氣瓶（可從水族用品店購置小型4 L 容量）。

2）試劑：玉米瓊脂培養(yǎng)基，成分如下：玉米粉50 g、紅糖6 g、白糖7 g、瓊脂5 g、酵母20 g、丙酸4 mL、對羥基苯甲酸丁酯1 g、蒸餾水1 000 mL。

3 材料：純合紅眼、白眼品系黑腹果蠅（本實驗果蠅品系由首都師范大學李周華教授提供）。

4）其他用具：塑料培養(yǎng)試管、試管架、海綿試管塞、毛筆、培養(yǎng)皿、冰袋。

3 實驗方案的優(yōu)化

3.1 果蠅培養(yǎng)基的配置和果蠅的觀察性培養(yǎng)

3.1.1 培養(yǎng)基的配制方法 果蠅是一種十分常見的昆蟲，酵母菌是果蠅幼蟲和成蟲的主要食物，多數(shù)能發(fā)酵的物質(zhì)都可以成為果蠅的培養(yǎng)基。早期培養(yǎng)果蠅是將香蕉外加少量防腐劑做培養(yǎng)基，現(xiàn)在則多用玉米粉。下面介紹實驗室常用的玉米瓊脂培養(yǎng)基的配制方法。

首先將瓊脂以少量的水溶解，再將紅糖和白糖加入少量水中，待糖充分溶解后，將已溶解的瓊脂均勻倒入糖水中，繼續(xù)加熱煮沸。另將玉米粉溶于剩余的大部分水中，調(diào)勻，邊攪拌邊倒入溶解好的糖-瓊脂水，繼續(xù)煮沸幾分鐘，終止加熱后加入丙酸及對羥基苯甲酸丁酯，攪拌均勻。將溶解好的培養(yǎng)基分裝于培養(yǎng)瓶中，蓋好瓶塞。（若實驗室條件不足，此培養(yǎng)基中去除瓊脂、紅糖、白糖、對羥基苯甲酸丁酯4 種成分也可。）

3.1.2 滅菌 將配置好的培養(yǎng)基置于高壓蒸汽滅菌鍋中，103.4 kPa 滅菌20 min，冷卻待用。（若條件不允許也可不滅菌，在盡可能無菌條件下配置和分裝即可。）

3.1.3 晾干 分裝后的培養(yǎng)基在接種前，培養(yǎng)瓶內(nèi)應晾至表面無水層、瓶壁無水滴，并在培養(yǎng)瓶中加入適量（每管約加入0.5 g）干酵母粉。

3.1.4 原種果蠅的獲得 用于培養(yǎng)的野生果蠅可直接從野外捕獲，若用于遺傳學研究則需要特定的品系。從野外收集野生果蠅的方法：取一個清潔玻璃容器放入葡萄、香蕉、桃之類的水果，用紗布罩住容器口，在紗布上開幾個2～3 mm 見方的孔。將容器置于室外。2～3 d 后即可采集到野生型果蠅。通過麻醉、挑選，轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)基內(nèi)即可。本實驗雜交所用的純合紅眼、白眼果蠅由首都師范大學遺傳學實驗室提供。

3.1.5 接種 將新培養(yǎng)瓶與裝有純種果蠅的培養(yǎng)瓶口對口垂直放置。其中，裝有新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)瓶倒扣在上方。注意，打開培養(yǎng)瓶塞后應迅速對好2 個瓶口，以防果蠅飛逸。將對好的2 個培養(yǎng)瓶翻轉(zhuǎn)，使新培養(yǎng)瓶位于下方，輕頓幾下，待全部果蠅落入新培養(yǎng)瓶后迅速蓋好瓶塞，并寫好標簽，即完成了果蠅的接種。

3.1.6 生活史觀察 接種至新培養(yǎng)基的果蠅成蟲在25℃條件下，1～2 d 即可交配產(chǎn)卵，受精卵24 h 之內(nèi)即可孵化成幼蟲，幼蟲經(jīng)2 次蛻皮成為三齡幼蟲。三齡幼蟲活動性較強，會爬出培養(yǎng)基層在培養(yǎng)瓶壁上附著并化蛹。待培養(yǎng)基中有三齡幼蟲爬出時需要依照上面的接種步驟移除全部親代成蟲，以免親代、子代果蠅混合。果蠅化蛹后3 d即會羽化，成蟲羽化8～12 h 后可交配。

3.2 純種果蠅性狀觀察和性別的鑒定

3.2.1 麻醉 選擇雜交的純種果蠅，在進行雜交實驗前應再次確認其性狀是否為所需。常規(guī)安全麻醉的具體做法是：將果蠅按前面的接種方法轉(zhuǎn)移至未裝入培養(yǎng)基的空培養(yǎng)瓶中，打開連接好的二氧化碳罐，用注射針將二氧化碳通入培養(yǎng)瓶，此時會觀察到果蠅逐漸昏迷，之后繼續(xù)通入二氧化碳10 s，以確保足夠的麻醉時間。如果實驗室沒有二氧化碳罐也可采用簡易麻醉的方法：將果蠅轉(zhuǎn)移至空培養(yǎng)瓶中，放入冰箱冷凍室（-20℃）冷凍約2 min。

3.2.2 觀察 將已麻醉的果蠅倒入實體解剖顯微鏡載物臺的培養(yǎng)皿上，為確保果蠅不在觀察過程中蘇醒，需在培養(yǎng)皿下方放置冰袋。調(diào)節(jié)顯微鏡使顯微鏡下的果蠅清晰呈現(xiàn)。用毛筆翻動果蠅使其腹面朝上即可觀察果蠅的性別。

3.2.3 雌、雄果蠅的鑒定 在顯微鏡下觀察果蠅，雌、雄果蠅成蟲的區(qū)分較明顯，雌果蠅體型較大，腹部橢圓末端稍尖，無性梳，生殖器外觀簡單。雄果蠅的體型較小，腹部末端鈍圓，尾部有一明顯的黑斑，第1 對附足的基部有性梳，外生殖器外觀復雜。若為剛孵化的果蠅性征沒有發(fā)育完全，可根據(jù)外生殖器結(jié)構(gòu)分辨。

3.2.4 果蠅恒溫箱培養(yǎng) 結(jié)束觀察后將果蠅倒回試管，待其蘇醒。當果蠅全部蘇醒后將其放回原培養(yǎng)瓶中，置于20～25℃恒溫、50%～80%濕度的恒濕培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。

3.3 果蠅的雜交技術(shù)

3.3.1 處女蠅的篩選 新羽化的果蠅8～12 h 后即可交配，交配后精子可在雌蠅的受精囊中儲存一段時間，再逐漸釋放到輸卵管中。所以，在果蠅雜交實驗中母本必須選用處女蠅。

處女蠅的篩選方法： 倒空培養(yǎng)瓶中所有的成蟲，此后12 h 內(nèi)新羽化的雌蠅即為處女蠅。實驗中建議選取羽化后8～10 h 內(nèi)的雌蠅,更為可靠。同時為了盡量保證實驗在白天進行,可在一天中選擇7∶00、15∶00、23∶00 挑選處女蠅。具體操作方法：將8 h 內(nèi)新孵出的果蠅移出培養(yǎng)瓶，麻醉后在實體解剖顯微鏡下區(qū)分性別（見步驟3.2.3），將雌、雄蠅分別分裝到新培養(yǎng)瓶中，貼好標簽，分別培養(yǎng)，這些雌性果蠅即為雜交實驗所用的處女蠅。

3.3.2 雜交方案 若研究題目為一對性狀的雜交實驗，以紅眼、白眼為例。在獲得足夠數(shù)量2 種性狀的處女蠅后，即可組合出3～5 個雜交管（正交：紅眼♀×白眼♂；反交：白眼♀×紅眼♂），每個雜交管中放入3～5 對雌、雄果蠅。將雜交管置于25℃環(huán)境中，待三齡幼蟲出現(xiàn)，去除各雜交管中的全部親代果蠅。待子代羽化為成蟲后，進行麻醉，觀察每組子代果蠅的眼色并記錄。將F1代的雌、雄果蠅同時引入新培養(yǎng)基中，1 個周期之后即可觀測F1代自交，以及產(chǎn)生的F2代的性狀。

在教學過程中，教師也可將本實驗設計為性狀傳遞規(guī)律的探究性實驗，引導學生設計雜交方案，進行實驗結(jié)果預期。實施雜交實驗之后，分析實驗結(jié)果見圖1，得出實驗結(jié)論。進而學生通過親歷的實驗探索過程獲得遺傳規(guī)律的學科知識。

4 探究性實驗教學對接生物學重要概念構(gòu)建

在果蠅雜交實驗的研究過程，清晰展現(xiàn)了科學家探索基因與染色體關(guān)系的研究歷程。學生通過親歷的實驗研究過程，真實體驗科學發(fā)現(xiàn)的過程，在此基礎(chǔ)上自主構(gòu)建基因位于染色體上的核心概念，對學科核心概念的理解更加深入。

學生進行的果蠅雜交實驗，是在教師提出“果蠅的紅眼和白眼性狀會具有怎樣的傳遞規(guī)律”這一研究情境的基礎(chǔ)上進行的。進行果蠅雜交實驗后，學生對實驗結(jié)果進行統(tǒng)計和分析，再運用經(jīng)典的“假說-演繹”的研究方法解決問題。這樣就真正實現(xiàn)了讓學生運用科學研究方法解決實際問題，幫助學生真正學會科學的研究方法。教學實踐表明，果蠅雜交實驗的教學過程是提升學生科學素養(yǎng)的有效媒介。