如何利用染色體變異進行基因定位

山東

基因定位是指將基因定位于具體染色體或染色體的某些區(qū)域，是遺傳學(xué)研究的一項基本工作。最早在1911 年，E.B.Wilson 首次將人紅綠色盲基因定位到X 染色體上。高考試題?？疾檫z傳方式，包括顯、隱性的確定及基因在染色體上的定位等。本文就利用染色體變異進行基因定位的原理、實例以及基于這些實例的試題進行分析，以期開拓視野，拓展思路，幫助學(xué)生突破高考遺傳題這個難點。

人教版教材對基因定位問題的討論始于摩爾根的果蠅實驗。早在1910 年之前，就有許多生物學(xué)家推測基因位于染色體上，但是缺乏確鑿的證據(jù)。直到摩爾根發(fā)現(xiàn)白眼雄蠅后，利用這只雄蠅和紅眼雌蠅進行雜交實驗，子一代全為紅眼果蠅。子一代果蠅相互交配，子二代所有的雌蠅為紅眼，雄蠅中一半為紅眼，一半為白眼，這種現(xiàn)象提示了控制果蠅眼色的基因可能位于性染色體上。更具說服力的實驗是將白眼雌蠅和紅眼雄蠅雜交，子一代紅眼全為雌蠅，白眼全為雄蠅。在這個實驗中，親本雌蠅的白眼基因伴隨X 染色體傳給了子代雄蠅，親本雄蠅的紅眼基因伴隨著X 染色體傳給了子代雌蠅。在以后的幾年里，摩爾根的學(xué)生利用基因重組的概率計算出了基因在染色體上的相對位置，繪制出世界上第一張遺傳圖。20 世紀70 年代后，隨著基因定位技術(shù)的進步，如體細胞雜交、DNA 分子雜交和PCR 等技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，使得基因定位的研究速度明顯加快。人類基因組計劃的實施和完成，更加促進了基因定位研究的進程。

體細胞雜交定位、單體和三體定位、染色體缺失定位及突變基因的檢出，與高中生物教材聯(lián)系密切，為遺傳試題的命制提供了很好的素材。下面的例題是筆者根據(jù)這些材料曾命制的原創(chuàng)試題，希望可以給廣大教師一些參考。

一、利用體細胞雜交技術(shù)進行基因定位

20 世紀60 年代初，隨著細胞融合技術(shù)的成熟，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在融合細胞內(nèi)存在染色體丟失的現(xiàn)象。HAT 是一種選擇性培養(yǎng)基，在這個培養(yǎng)基上，缺少胸腺核苷激酶（TK）或次黃嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（HPRT）的細胞不能存活。用滅活病毒或聚乙二醇將缺少胸腺核苷激酶的人類細胞（TK-）和缺少次黃嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（HPRT-）的小鼠細胞融合后，用HAT 培養(yǎng)基篩選出雜種細胞。在雜種細胞中，小鼠細胞能產(chǎn)生TK，人類細胞能產(chǎn)生HPRT，互補了缺陷，因此該雜種細胞在HAT 培養(yǎng)基中能存活，其他細胞則死亡。雜種細胞在分裂過程中，人類的染色體會隨機丟失，小鼠的染色體則全部保留下來。經(jīng)過幾次分裂后，待雜種細胞穩(wěn)定下來時，細胞內(nèi)保留了一條或幾條人類染色體。雖然目前還不清楚人類染色體丟失的機制，但留存下來的染色體可用于基因定位。

【例1】（2016 年命制，用于天津五區(qū)縣二模，節(jié)選）隨著“人-鼠”雜種細胞的分裂，細胞中來自人的染色體會隨機丟失，在最終穩(wěn)定時，雜種細胞只保留了一條或幾條人的染色體。利用此特性，可將某些基因定位于特定的染色體上?；騎 控制合成的酶能利用胸腺脫氧核苷，基因H 控制合成的酶能利用次黃嘌呤。不能同時利用這兩類物質(zhì)的細胞不能成活。將基因型為ttHH 的人細胞和基因型為TThh 的鼠細胞，置于添加有胸腺脫氧核苷和次黃嘌呤的HAT 培養(yǎng)基中，誘導(dǎo)細胞融合。

（3）鏡檢分析HAT 培養(yǎng)基中處于分裂中期的雜種細胞，發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)殘留的人染色體如表1：

表1

①分析表1 中數(shù)據(jù)，可將基因____定位于________染色體上，依據(jù)是_____________。

②若將另一對等位基因也定位在人染色體上，理論上，可選擇基因型分別為___________的人、鼠細胞進行融合。

【解析】（3）①根據(jù)題目信息得知，能在HAT 培養(yǎng)基上存活的細胞應(yīng)同時含有T 和H 基因。人細胞的基因型為ttHH，鼠細胞的基因型為TThh，初始時“人-鼠”雜種細胞的基因型為TTttHHhh，在HAT 培養(yǎng)基上能存活。在殘留的4 種人染色體雜種細胞中，均含有第17 號染色體，且雜種細胞2 中只有第17 號染色體也能存活，說明H 基因位于第17 號染色體上。②理論上，若定位人染色體上的T 基因，人染色體上需要T 基因純合（TT），另一對基因隱性純合（hh），小鼠的基因型與人細胞的基因型互補即可。

【答案】（3）①H 17 存活細胞內(nèi)均含人第17（17 號）染色體 ②TThh、ttHH

二、利用單體和三體進行基因定位

單體（2n-1）比正常細胞（2n）少了一條染色體，三體（2n+1）比正常細胞多出了一條染色體。有時，某些生物的單體和三體均能存活并可育。如曼陀羅（2n=24）有12 對同源染色體，人們發(fā)現(xiàn)了該植物的12 種三體，與正常曼陀羅相比，這12 種三體曼陀羅的每種單體各多出了一條不同的染色體，其碩果的大小和形狀各不相同。煙草（2n=48）普遍存在三體，為此我國科研人員曾建立了煙草的三體系和單體系。果蠅的Ⅳ號染色體短小，其上只有很少基因，因此果蠅Ⅳ號染色體的單體或三體可以存活。在人類中，最著名的三體病為唐氏綜合征，最早由英國醫(yī)生Langdon Down 于1866 年發(fā)現(xiàn)，引發(fā)該病癥的原因為21 號染色體為三體，患者核型為47，XX 或47，XY。人因13 號和18 號染色體為三體而患病的情況也有報道，但相當少見，原因是患者極易夭折。

【例2】（2016 年命制，用于淄博市一模，節(jié)選）某嚴格自花傳粉的二倍體植物（2n），野生型為紅花，突變型為白花。研究人員圍繞著花色性狀的顯隱性關(guān)系及花色控制基因在染色體上的定位，進行了以下相關(guān)實驗。請分析回答：

（3）單體（2n-1）可用于基因的染色體定位。人工構(gòu)建該種植物的單體系（紅花）應(yīng)有______種單體。若白花由一對隱性突變基因控制，將白花突變植株與該種植物單體系中的全部單體分別雜交，留種并單獨種植。假定配子全部可育，各基因型全部成活，當子代出現(xiàn)表現(xiàn)型及比例為____________時，可將白花突變基因定位于_______________。

（4）三體（2n+1）也可用于基因的染色體定位。若白花由一對隱性突變基因控制，將白花突變植株與三體系（紅花純合）中全部三體分別雜交，留種并單獨種植。假定配子全部可育，各基因型全部成活，當子二代的表現(xiàn)型及比例為__________________時，可將白花突變基因定位。

【解析】（3）單體（2n-1）是一對同源染色體缺少一條染色體，本植物染色體數(shù)為2n，有n 對同源染色體，因此該種植物的單體系應(yīng)包括n 種單體。設(shè)紅花和白花的控制基因分別為A、a，則單體系中只有一種紅花單體基因型為A0，其他單體的基因型為AA。A0 和白花（aa）雜交，子代為Aa（紅花）∶0a（白花）=1∶1，AA 和白花（aa）雜交，子代全為紅花。這樣便可將A 基因定于“0”染色體上，即單體所缺染色體上。（4）三體純合紅花的基因型為AAA，白花的基因型為aa，F(xiàn)1的基因型為1/2Aa、1/2AAa。F1自交時：1/2Aa 紅花自交，F(xiàn)2中白花（aa）的比例為1/2×1/4aa=1/8；AAa 產(chǎn)生的配子及比例為1/6AA、1/6a、1/3A、1/3Aa，1/2AAa 自交所得的F2中白花（aa）的比例為1/2×1/6a×1/6a=1/72。因此，F(xiàn)2中白花植株所占比例為1/8+1/72=5/36，紅花植株所占比例為1-5/36=31/36。因此，F(xiàn)2的表現(xiàn)型及比例為紅花植株∶白花植株=31∶5。

【答案】（3）n 紅花植株∶白花植株=1∶1該單體所缺少的染色體 （4）紅花植株∶白花植株=31∶5

三、利用染色體缺失進行基因定位

染色體缺失是指染色體斷裂后丟失了部分片段。一條染色體的片段缺失后，會造成另一條同源染色體對應(yīng)區(qū)域上的隱性基因表現(xiàn)出相應(yīng)性狀，引起表現(xiàn)型的改變，這種現(xiàn)象稱為“假顯性”。當缺失的片段足夠大時，在對缺失染色體進行細胞學(xué)鑒定時，可在顯微鏡下觀察到聯(lián)會的一對同源染色體上，一條凸起了“環(huán)”，凸起環(huán)的染色體為正常染色體，另一條染色體發(fā)生了中間缺失（需要說明的是，染色體重復(fù)也會出現(xiàn)類似的“環(huán)”，若要區(qū)分二者，需要與正常染色體做比對）。

玉米的紫莖對綠莖為顯性，墨克林托克（McClintock）用X 射線處理純合紫莖玉米,并將這些玉米與綠莖玉米雜交，子代得到732 株紫莖玉米和2 株綠莖玉米。起初他懷疑是基因突變造成的，但在對2 株綠莖玉米進行細胞學(xué)檢測時發(fā)現(xiàn)，第6 號染色體的臂端缺少了一段，從而確定是X 射線造成了玉米的染色體缺失，同時也將控制紫莖和綠莖的基因定位于第6 號染色體的臂端。

動物中，利用染色體缺失進行基因定位的典型例子是定位果蠅X 染色體上的fa（小糙眼）基因。用人工方法處理野生型黑腹果蠅的雄蠅（FaY），使其X 染色體上的不同區(qū)段發(fā)生斷裂，重新連接得到了13 種缺失類型的雄蠅，它們的染色體缺失部位如圖1（深色區(qū)為染色體缺失部位）。將1～13 號缺體雄蠅分別與小糙眼雌蠅（fafa）雜交，在子代雌蠅中，帶有3～13 缺失染色體的果蠅表現(xiàn)為小糙眼，出現(xiàn)“假顯性”，表明Fa/fa 基因位于3～13 的共同缺失區(qū)。

圖1

【例3】（2015 年命制，用于GETS 山東名校聯(lián)盟）玉米株色的紫色（A）對綠色（a）為顯性，該對基因位于第6 號染色體上。經(jīng)X 射線照射的紫株玉米的花粉授給綠株玉米，F(xiàn)1中出現(xiàn)1% 的綠株。F1紫株和綠株的第6 號染色體的檢測結(jié)果如圖2 所示。相關(guān)敘述正確的是 （ ）

圖2

A.親本中紫株的基因型為Aa，綠株的基因型為aa

B.F1紫株和綠株雜交，F(xiàn)2有4 種基因型，2 種表現(xiàn)型

C.F1紫株的基因型為Aa，F(xiàn)1綠株的基因型為aa

D.X 射線照射紫株花粉后，1% 的花粉發(fā)生了基因突變

【解析】由于F1中只有1%的綠株，頻率很低，因此綠株的出現(xiàn)不是雜交的結(jié)果，而是變異的結(jié)果，由此確定親本中紫株基因型為AA，綠株基因型為aa，A 選項錯誤；比較F1綠株和紫株的染色體發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1綠株中有一條染色體發(fā)生了缺失，因此F1綠株的基因型為0a，發(fā)生缺失的染色體來自紫株親本，C、D 選項錯誤；F1紫株（Aa）和綠株（0a）雜交，后代的基因型為A0、Aa、a0、aa 4 種基因型，2 種表現(xiàn)型，B 選項正確。

【答案】B

【例4】（2017 年命制，用于天津五區(qū)縣二模）人工處理果蠅，篩選得到一條X 染色體正常且?guī)в行〔谘刍颉⒘硪粭lX 染色體發(fā)生部分片段缺失的5 類雌蠅，X 染色體上的缺失片段及相應(yīng)的眼型性狀如表2。下列對這5 類果蠅的分析，正確的是 （ ）

表2

A.X 染色體片段的缺失導(dǎo)致基因突變

B.眼型中小糙眼對正常眼是顯性性狀

C.在X 染色體的③區(qū)有控制眼型基因

D.在X 染色體的①區(qū)有控制眼型基因

【解析】假設(shè)相關(guān)基因用A/a 表示。正常X 染色體（沒有缺失）上有小糙眼基因，但5 類雌蠅不全為小糙眼（有正常眼和小糙眼），說明小糙眼基因為隱性基因（a），正常眼為顯性性狀，由A 基因控制?！傲硪粭lX 染色體”在未發(fā)生缺失前是帶有正常眼基因（A）的，這條X 染色體在發(fā)生缺失時有兩種情況：有的缺失了帶A 的染色體片段，這類果蠅的基因型為a0，表現(xiàn)為小糙眼；有的缺失片段上不帶有A 基因，此類果蠅的基因型為Aa，表現(xiàn)型為正常眼。從表2 中看出，缺失“③④”和“②③”片段時表現(xiàn)為小糙眼，因此控制眼型的基因（A/a）應(yīng)位于③區(qū)。

【答案】C

四、利用染色體倒位定位隱性突變基因

染色體斷裂后，反轉(zhuǎn)180°，倒接在染色體上稱為倒位。在果蠅的第Ⅱ號染色體上有兩個顯性突變基因Cy（Curly wings，翻翅）和Pm（Plum eyes，梅紅色眼），每個基因都具有純合致死效應(yīng)，因此，人工構(gòu)建的果蠅第Ⅱ平衡染色體的基因型為Cy___pm/cy___Pm（“___”代表染色體，下同）。在果蠅的第Ⅲ號染色體上有Tb（肥胖體）基因和Sb（短剛毛）基因，每個基因顯性純合時果蠅致死，人工構(gòu)建的第Ⅲ平衡染色體為Tb___sb/tb___Sb。上述平衡染色體均可穩(wěn)定遺傳，即后代果蠅全部具有平衡染色體，因為后代中Cy pm/Cy___pm、cy___Pm/cy___Pm、Tb___sb/Tb___sb、tb___Sb/tb___Sb果蠅致死。在人工構(gòu)建的果蠅第Ⅱ、Ⅲ平衡染色體中，均有一條染色體在兩基因間的區(qū)段發(fā)生了倒位。在倒位區(qū)段，同源染色體不能聯(lián)會，不能交叉互換，從而抑制了這個區(qū)段的基因重組，有利于突變基因的檢出。

【例5】（2016 年命制，用于淄博市二模，節(jié)選）（3）人工構(gòu)建的第Ⅱ平衡染色體果蠅中，兩條第Ⅱ染色體上的基因如圖3 所示，兩染色體間不發(fā)生交叉互換?；駻、B為顯性純合致死基因（含有AA 或BB 時果蠅致死）。

圖3

①具有第Ⅱ平衡染色體的果蠅交配，后代中的第Ⅱ染色體仍為平衡染色體，原因是_______________________。

②將具有某隱性突變性狀的突變型果蠅（由常染色體上的一對隱性基因控制且無圖3 中的顯性致死基因）與第Ⅱ平衡染色體野生型果蠅雜交，F(xiàn)1均為野生型。讓F1雌雄果蠅交配得F2，若該隱性突變基因位于第Ⅱ染色體上，則F2表現(xiàn)型及比例為______，否則，F(xiàn)2表現(xiàn)型及比例為____________。

【答案】（3）①基因型為AAbb 或aaBB 的果蠅致死，只有AaBb 的果蠅存活 ②野生型∶突變型=5∶2

野生型∶突變型=3∶1

五、并連X染色體檢出X染色體上的基因突變

并連X 染色體由摩爾根的妻子于1922 年發(fā)現(xiàn)，它由兩條X 染色體融合而成，兩條X 染色體共用一個近端著絲點。一般情況下，發(fā)生在雄果蠅X 染色體上的隱性突變不易保留，原因是這條X 染色體傳給了子代的雌性個體，在表現(xiàn)型上，會被來自雌性的另一條X 染色體“覆蓋”，并在傳遞時“逸散”在眾多的后代中，不易尋找。但并連X 染色體果蠅可以解決這個問題。

【例6】（2015 年命制，用于GETS 競賽，節(jié)選）有極少數(shù)果蠅的兩條X 染色體并連，記作“X∧X”，并連后的X 染色體在細胞分裂過程中不分開。X∧XY 的果蠅為雌蠅，染色體為X∧XX 及YY 的果蠅致死。

圖4

（2）一只并連雌蠅（X∧XY）和一只正常雄蠅雜交，子一代中雌、雄蠅的染色體組成分別為_______，子代雄蠅的X 染色體來自親代的______（填“雄蠅”或“雌蠅”）。

（3）利用上述親本在實驗室中連續(xù)繁殖交配，可“偵查”發(fā)生在X 染色體上的基因突變。通過重點觀察該果蠅種群內(nèi)_______（填“雌”或“雄”）蠅的表型變化，可檢出發(fā)生在X 染色體上________區(qū)的顯性突變和______區(qū)的隱性突變。

【答案】（2）X∧XY、XY 雄 （3）雄Ⅰ、Ⅱ Ⅱ

從研究的角度講，在某種意義上變異比遺傳更重要，沒有了變異就談不上遺傳，因此高校教材更重視變異?；蛲蛔儭⒒蛑亟M和染色體變異為遺傳命題提供了豐富的命題素材，在遺傳部分專題訓(xùn)練時，適當引入染色體變異類型的題目，有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力，提高科學(xué)思維品質(zhì)和遺傳學(xué)素養(yǎng)。