基因的分离定律及应用:
1.基因的分离定律
(1)内容:在生物的体细胞中,控制同一性状的遗传因子成对存在,不相融合;在形成配子时,成对的遗传因子发生分离,分离后的遗传因子分别进入不同的配子中,随配子遗传给后代。
(2)实质:在杂合子的细胞中,位于一对同源染色体上的等位基因,具有一定的独立性;在减数分裂形成配子的过程中,等位基因会随同源染色体的分开而分离,分别进入到两个配子中,独立地随配子遗传给后代。
(3)适用范围:①一对相对性状的遗传;②细胞核内染色体上的基因;③进行有性生殖的真核生物。
(4)细胞学基础:同源染色体分离。
(5)作用时间:有性生殖形成配子时(减数第一次分裂后期)。
2、分离定律在实践中的应用
(1)正确解释某些遗传现象两个有病的双亲生出无病的孩子,即“有中生无”,肯定是显性遗传病;两个无病的双亲生出有病的孩子,即“无中生有”,肯定是隐性遗传病。
(2)指导杂交育种
①优良性状为显性性状:连续自交,直到不发生性状分离为止,收获性状不发生分离的植株上的种子,留种推广。
②优良性状为隐性性状:一旦出现就能稳定遗传,便可留种推广。
③优良性状为杂合子:两个纯和的不同性状个体杂交后代就是杂合子,但每年都要配种。
(3)禁止近亲结婚的原理每个人都携带5~6种不同的隐性致病遗传因子。近亲结婚的双方很可能是同一种致病因子的携带者,他们的子女患隐性遗传病的机会大大增加,因此法律禁止近亲结婚。
交配方式类:
1、杂交:基因型不同的个体间相互交配的过程。
2、自交:植物中自花传粉和雌雄异花的同株传粉。广义上讲,基因型相同的个体间交配均可称为自交。自交是获得纯合子的有效方法。
3、测交:就是让杂种(F1)与隐性纯合子杂交,来测F1基因型的方法。
4、正交与反交:对于雌雄异体的生物杂交,若甲♀×乙♂为正交,则乙♀×甲♂为反交。
5、常用符号的含义
符号 |
P |
F1 |
F2 |
× |
|
♂ |
♀ |
C、D等 |
c、d等 |
含义 |
亲本 |
子一代 |
子二代 |
杂交 |
自交 |
父本(雄配子) |
母本(雌配子) |
显性遗传因子 |
隐性遗传因子 |
孟德尔杂交实验的科学方法:
1.遗传学实验的科学杂交方法
2.假说一演绎法分析
(1)假说一演绎法:在观察和分析的基础上提出问题以后,通过推理和想像提出解释问题的假说,根据假说进行演绎推理,再通过实验检验演绎推理的结论。如果实验结果与预期结论相符,就证明假说是正确的,反之,则说明假说是错误的。这是现代科学研究中常用的一种科学方法,叫做假说一演绎法。
(2)一对相对性状的杂交实验“假说一演绎分析”
一对相对性状的杂交实验:
1、实验过程及结果(如下图)
2、对分离现象的解释
(l)生物的性状是由遗传因子决定的。
(2)体细胞中遗传因子是成对存在的。
(3)生物在形成生殖细胞——配子时,成对的遗传因子彼此分离,分别进入不同的配子中。
(4)受精时,雌、雄配子的结合是随机的。
3、对分离现象解释的验证——测交(如下图)
结果证实了:
①F1是杂合子,基因型为Dd;
②F1能产生D和d两种配子且比例相等;
③F1在形成配子过程中,D和d能彼此分离(即没有融合)。
4、孟德尔的研究思路:假说一演绎法
(3)设计测交实验,验证假说。
(4)归纳综合,总结规律:基因的分离定律。
表解基因的分离定律和自由组合定律的不同:
|
分离定律 |
自由组合定律 |
两对相对性状 |
n对相对性状 |
相对性状的对数 |
1对 |
2对 |
n对 |
等位基因及位置 |
1对等位基因位于1对同源染色体上 |
2对等位基因位于2对同源染色体上 |
n对等位基因位于n对同源染色体上 |
F1的配子 |
2种,比例相等 |
4种,比例相等 |
2n种,比例相等 |
F2的表现型及比例 |
2种,3:1 |
4种,9:3:3:1 |
2n种,(3:1)n |
F2的基因型及比例 |
3种,1:2:1 |
9种,(1:2:1)2 |
3n种,(1:2:1)n |
测交后代表现型及比例 |
2种,比例相等 |
4种,比例相等 |
2n种,比例相等 |
遗传实质 |
减数分裂时,等位基因随同源染色体的分离而分开,分别进入不同配子中 |
减数分裂时,在等位基因随同源染色体分开而分离的同时,非同源染色体上的非等位基因自由组合,进而进入同一配子中 |
实践应用 |
纯种鉴定及杂种自交纯合 |
将优良性状重组在一起 |
联系 |
在遗传中,分离定律和自由组合定律同时起作用:在减数分裂形成配子时,既有同源染色体上等位基因的分离,又有非同源染色体上非等位基因的自由组合 |
知识点拨:
分离定律实验注意
1、亲本上结的种子为F
1,F
1植株上结的种子为F
2。
2、亲本产生的雌雄配子数量不等,雄配子数量远远多于雌配子,基因型为Dd的植物产生的雄配子中,含D的和含d的相等,雌配子中含D的和含d的相等。
杂合子Aa连续自交后代分析:
1、杂合子连续自交n次后,第n代的情况如下表:
Fn |
杂合子 |
纯合子 |
显性纯合子 |
隐性纯合子 |
显性性状个体 |
隐性性状个体 |
所占比例 |
1/2n |
1-1/2n |
1/2-1/2n+1 |
1/2-1/2n+1 |
1/2+1/2n+1 |
1/2-1/2n+1 |
2 、曲线分析
根据上表比例,杂合子、纯合子所占比例坐标曲线图为:
注:1、自交n次后,第n代杂合子比例为1/2
n,其余为纯合子,且显性纯合子与隐性纯合子比例为1:1,据此原理,可只记忆杂合子的计算公式,其他比例由此推到即可。
2、在育种实践中,可通过让杂合子连续自交的方法来提高纯合子所占的比例。
知识拓展:
1、孟德尔遗传规律的发现是运用了“假说一演绎法”的结果,孟德尔以高茎纯种豌豆和矮茎纯种豌豆作亲本,分别设计了纯合亲本杂交、F
1的自交、F
1的测交三组实验
①在现象分析阶段完成的实验是纯合亲本杂交和 F
1的自交。
②孟德尔在解释一对相对性状的杂交实验现象时,提出的假设是控制生物性状的成对的遗传因子在形成配子时会彼此分离,分别进入不同的配子中,随配子遗传给后代。
③在检验假设阶段完成的实验是F
2的测交。
2、萨顿利用类比推理,提出“基因在染色体上” 的假说;摩尔根利用“假说—演绎法”找到基因在染色体上的实验证据。
3、DNA半保留复制的提出也是“假说一演绎法” 的正确运用。沃森和克里克在发现了DNA分子的双螺旋结构后,又提出了遗传物质半保留复制的假说。 1958年,科学家以大肠杆菌为实验材料,运用同位素标记法设计了巧妙的实验,实验结果与根据假说一演绎推导的预期现象一致,证实了DNA的确是以半保留方式复制的。
4、基因的分离定律和自由组合定律中,F
1和F
2要表现特定的分离比,应具备以下条件。
①所研究的每一对相对性状只受一对等位基因控制,且相对性状为完全显性。
②不同类型的雌、雄配子都能发育良好,且受精的机会均等。
③所有后代都处于比较一致的环境中,且存活率相同。
④进行实验的群体要大,个体数量要足够多。
5、常见问题解题方法
(1)如果后代性状分离比为显:隐=3:1,则双亲一定都是杂合子(Dd)。即Dd×Dd→3D_:1dd
(2)若后代性状分离比为显:隐=1:1,则双亲一定是测交类型。即Dd×dd→1Dd:1dd
(3)若后代性状只有显性性状,则双亲至少有一方为显性纯合子。即DD×DD或DD×Dd或DD×dd
分离定律的实质:减Ⅰ分裂后期等位基因分离。
基因的自由组合定律与应用:
1.自由组合定律:控制不同性状的遗传因子的分离和组合是互不干扰的;在形成配子时,决定同一性状的成对的遗传因子彼此分离,决定不同性状的遗传因子自由组合。
2. 实质
(1)位于非同源染色体上的非等位基因的分离或组合是互不干扰的。
(2)在减数分裂过程中,同源染色体上的等位基因彼此分离的同时,非同源染色体上的非等位基因自由组合。
3.适用条件
(1)有性生殖的真核生物。
(2)细胞核内染色体上的基因。
(3)两对或两对以上位于非同源染色体上的非等位基因。
4.细胞学基础:基因的自由组合定律发生在减数第一次分裂后期。
5.应用
(l)指导杂交育种,把优良性状重组在一起。
(2)为遗传病的预测和诊断提供理沦依据。
两对相对性状的杂交实验:
1.提出问题——纯合亲本的杂交实验和F1的自交实验
(1)发现者:孟德尔。
(2)图解:
2.作出假设——对自由组合现象的解释
(1)两对相对性状(黄与绿,圆与皱)由两对遗传因子(Y与y,R与r)控制。
(2)两对相对性状都符合分离定律的比,即3:1,黄:绿=3:1,圆:皱=3:1。
(3)F1产生配子时成对的遗传因子分离,不同对的遗传因子自由组合。
(4)F1产生雌雄配子各4种,YR:Yr:yR:yr=1:1:1:1。
(5)受精时雌雄配子随机结合。
(6)F2的表现型有4种,其中两种亲本类型(黄圆和绿皱),两种新组合类型(黄皱与绿圆)。黄圆:黄皱:绿圆:绿皱=9:3:3:1
(7)F2的基因型有16种组合方式,有9种基因型。
3.对自由组合现象解释的验证
(1)方法:测交。
(2)预测过程:
(3)实验结果:正、反交结果与理论预测相符,说明对自由组合现象的解释是正确的。
自由组合类遗传中的特例分析9:3:3:1的变形:
9:3:3:1是独立遗传的两对相对性状自由组合时出现的表现型比例,题干中如果出现附加条件,则可能出现9:3:4、9:6:1、15:1、9:7等一系列的特殊分离比。
特殊条件下的比例关系总结如下:
条件 |
种类和分离比 |
相当于孟德尔的分离比 |
显性基因的作用可累加 |
5种,1:4:6:4:1 |
按基因型中显性基因个数累加 |
正常的完全显性 |
4种,9:3:3:1 |
正常比例 |
只要A(或B)存在就表现为同一种,其余正常为同一种,其余正常表现 |
3种,12:3:1 |
(9:3):3:1 |
单独存在A或B时表现同一种,其余正常表现 |
3种,9:6:1 |
9:(3:3):1 |
aa(或hb)存在时表现为同一种,其余正常表现 |
3种,9:3:4 |
9:3:(3:1) |
A_bb(或aaB_)的个体表现为一种,其余都是另一种 |
2种,13:3 |
(9:3:1):3 |
A、B同时存在时表现为同一种,其余为另一种 |
2种,9:7 |
9:(3:3:1) |
只要存在显性基因就表现为同一种 |
2种,15:1 |
(9:3:3):1 |
注:利用“合并同类项”巧解特殊分离比
(1)看后代可能的配子组合,若组合方式是16种,不管以什么样的比例呈现,都符合基因自由组合定律。
(2)写出正常的分离比9:3:3:1。
(3)对照题中所给信息进行归类,若后代分离比为 9:7,则为9:(3:3:1),即7是后三种合并的结果;若后代分离比为9:6:1,则为9:(3:3):1;若后代分离比为15:1 则为(9:3:3):1等。
表解基因的分离定律和自由组合定律的不同:
|
分离定律 |
自由组合定律 |
两对相对性状 |
n对相对性状 |
相对性状的对数 |
1对 |
2对 |
n对 |
等位基因及位置 |
1对等位基因位于1对同源染色体上 |
2对等位基因位于2对同源染色体上 |
n对等位基因位于n对同源染色体上 |
F1的配子 |
2种,比例相等 |
4种,比例相等 |
2n种,比例相等 |
F2的表现型及比例 |
2种,3:1 |
4种,9:3:3:1 |
2n种,(3:1)n |
F2的基因型及比例 |
3种,1:2:1 |
9种,(1:2:1)2 |
3n种,(1:2:1)n |
测交后代表现型及比例 |
2种,比例相等 |
4种,比例相等 |
2n种,比例相等 |
遗传实质 |
减数分裂时,等位基因随同源染色体的分离而分开,分别进入不同配子中 |
减数分裂时,在等位基因随同源染色体分开而分离的同时,非同源染色体上的非等位基因自由组合,进而进入同一配子中 |
实践应用 |
纯种鉴定及杂种自交纯合 |
将优良性状重组在一起 |
联系 |
在遗传中,分离定律和自由组合定律同时起作用:在减数分裂形成配子时,既有同源染色体上等位基因的分离,又有非同源染色体上非等位基因的自由组合 |
易错点拨:
1、F
2共有16种组合方式,9种基因型,4种表现型,其中双显(黄圆):一显一隐(黄皱):一隐一显(绿圆):双隐(绿皱)=9:3:3:1。F
2中纯合子4种,即YYRR、YYrr、yyRR、yyrr,各占总数的 1/16;只有一对基因杂合的杂合子4种,即YyRR、Yyrr、 YYRr、VyRr,各占总数的2/16;两对基因都杂合的杂合子1种,即YyRr,占总数的4/16。
2、F
2中双亲类型(Y_R_十yyrr)占10/16。重组类型占6/16(3/16Y_rr+3/16yyR_)。
3、 减数分裂时发生自由组合的是非同源染色体上的非等位基因,而不是所有的非等位基因。同源染色体上的非等位基因,则不遵循自由组合定律。
4、用分离定律解决自由组合问题
(1)基因原理分离定律是自由组合定律的基础。
(2)解题思路首先将自由组合定律问题转化为若干个分离定律问题。在独立遗传的情况下,有几对基因就可以分解为几个分离定律问题。如AaBb×Aabb可分解为:Aa× Aa,Bb×bb。然后,按分离定律进行逐一分析。最后,将获得的结果进行综合,得到正确答案。
知识拓展:
1、两对相对性状杂交试验中的有关结论
(1)两对相对性状由两对等位基因控制,且两对等位基因分别位于两对同源染色体。
(2)F1减数分裂产生配子时,等位基因一定分离,非等位基因(位于非同源染色体上的非等位基因)自由组合,且同时发生。
(3)F2中有16种组合方式,9种基因型,4种表现型,比例9:3:3:1。
2、自由组合定律的实质:减I分裂后期等位基因分离,非等位基因自由组合。
3、孟德尔成功的原因分析
(1)正确选择实验材料豌豆适合作杂交实验材料酌优点有:
①具有稳定的、易于区分的相对性状。
②严格自花传粉,闭花受粉,在自然状态下均是纯种。
③花比较大,易于做人工杂交实验。
(2)精心设计实验程序
①采取单一变量分析法,即分别观察和分析在一个时期内的一对相对性状的差异,最大限度地排除各种复杂因素的干扰。
②遵循了由简单到复杂的原则,即先研究一对相对性状的遗传,再研究多对相对性状的遗传,由此从数学统计中发现遗传规律。
③运用了严密的假说—演绎法。针对发现的问题提出假说,并设计实验验证假说,在不同的杂交实验中分别验证假说的正确性,从而使假说变成普遍的规律。
(3)精确的统计分析通过对一对相对性状、两对相对性状杂交实验中子代出现的性状进行分类、计数和数学归纳,找出实验显示出来的规律性,并深刻的认识到比例中所隐藏的意义和规律。
(4)首创了测交的方法巧妙地设计了测交方法,证明了假说的正确性。这种以杂交子一代个体与隐性纯合子进行测交的方法,已成为遗传学分析的经典方法。
4、遗传规律的再发现
(1)1909年,丹麦生物学家约翰逊把“遗传因子”叫做基因。
(2)因为孟德尔的杰出贡献,他被公认为“遗传学之父”。
例 下列哪项不是孟德尔选用豌豆作实验材料并获得成功的原因( )
A.豌豆具有稳定的、容易区分的相对性状
B.豌豆是严格闭花受粉的植物
C.用统计学的方法引入对实验结果的分析
D.豌豆在杂时,母本不需去雄
思路点拨:孟德尔获得成功的原因有:①正确选择实验材料;②精心设计实验程序;③精确的统计分析; ④首创了测交方法。孟德尔的杂交实验中,母本是必须去雄的。所以D选项错误。答案D
多聚酶链式反应扩增DNA片段:1、PCR原理:在解旋酶作用下,打开DNA双链,每条DNA单链作为母链,以4中游离脱氧核苷酸为原料,合成子链,在引物作用下,DNA聚合酶从引物3
'端开始延伸DNA链,即DNA的合成方向是从子链的5
'端自3
'端延伸的。实际上就是在体外模拟细胞内DNA的复制过程。DNA的复制需要引物,其主要原因是DNA聚合酶只能从3′端延伸DNA链。
2、PCR反应过程是:变性→复性→延伸
过程 |
说明 |
图解 |
变性 |
当温度上升到90℃以上时,双链DNA解聚为单链 |
|
复性 |
温度下降到50℃左右,两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合 |
|
延伸 |
72℃左右时,TaqDNA聚合酶有最大活性,可使DNA新链由5'端向3'端延伸 |
|
3、结果:上述三步反应完成后,一个DNA分子就变成了两个DNA分子,随着重复次数的增多,DNA分子就以2
n的形式增加。PCR的反应过程都是在PCR扩增仪中完成的。
细胞被DNA复制与PCR技术的比较:
|
细胞内DNA复制 |
体外DNA扩增(PCR) |
不同点 |
解旋 |
在解旋酶作用下边解旋边复制 |
80~100℃高温解旋,双链完全分开 |
酶 |
DNA解旋酶、DNA聚合酶 |
TaqDNA聚合酶 |
引物 |
RNA |
DNA、RNA |
温度 |
体内温和条件 |
高温 |
相同点 |
①需提供DNA模板 ②四种脱氧核苷酸为原料 ③子链延伸的方向都是从5'端到3'端 |
知识点拨:1、DNA分子复制的人工控制
解开螺旋:在80~100℃时,DNA双螺旋打开,形成两条DNA单链,称为变性。
恢复螺旋:在50~60℃左右时,两条DNA单链重新形成双螺旋结构,称为复性。
复制条件:缓冲液,DNA模板、四种脱氧核苷酸、热稳定DNA聚合酶、两种引物。
控制仪器:PCR仪(温度周期性自动调节仪)。
2、PCR的含义是多聚酶链式反应。
3、PCR技术反应的条件:①稳定的缓冲溶液环境;②DNA模板;③合成引物;④四种脱氧核甘酸;⑤DNA聚合酶;⑥温控设备
4、PCR技术最突出的优点是快速、高效、灵活、易于操作。
5、TaqDNA聚合酶的特点是:耐高温。
知识拓展:
1、DNA含量的测定——分光光度法
项目 |
说明 |
原理 |
DNA在260nm的紫外线波段有一强烈吸收峰,峰值大小与DNA的含量是正相关 |
过程 |
稀释 |
2μLPCR反应液,加入98μL蒸馏水,即将样品进行50倍稀释 |
对照调零 |
以蒸馏水作为空白对照,在波长260nm处,将紫外分光光度计的赌注调节至零 |
测量 |
取DNA稀释液100μL至比色杯中,测定260nm处的光吸收值 |
计算 |
DNA含量(μg/mL)=50×(260nm的读数)×稀释倍数 |
2、DNA聚合酶不恩能够从头合成DNA,只能从DNA的3'端开始延伸DNA链,因此DNA复制需要引物。
基因工程的基本操作程序:1、目的基因的获取
(1)目的基因是指: 编码蛋白质的结构基因。
(2)获取方法:①从基因文库中获取;②人工合成(反转录法和化学合成法);③PCR技术扩增目的基因。
2、基因表达载体的构建
(1)目的:使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传至下一代,使目的基因能够表达和发挥作用。
(2)组成:目的基因+启动子+终止子+标记基因。如图:
①启动子:是一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的首端,是RNA聚合酶识别和结合的部位,能驱动基因转录出mRNA,最终获得所需的蛋白质。
②终止子:也是一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的尾端。
③标记基因的作用:是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因,从而将含有目的基因的细胞筛选出来。常用的标记基因是抗生素基因。
(3)基因表达载体的构建过程:
3、将目的基因导入受体细胞
(1)转化的概念:是目的基因进入受体细胞内,并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
(2)常用的转化方法:
生物种类 |
植物细胞 |
动物细胞 |
微生物细胞 |
常用方法 |
农杆菌转化法 |
显微注射技术 |
Ca2+处理法 |
受体细胞 |
体细胞 |
受精卵 |
原核细胞 |
转化过程 |
将目的基因插入到Ti质粒的T-DNA上→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA→表达 |
将含有目的基因的表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物 |
Ca2+处理细胞→感受态细胞→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子 |
(3)重组细胞导入受体细胞后,筛选含有基因表达载体受体细胞的依据是标记基因是否表达。
4、目的基因的检测和表达
(1)首先要检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因,方法是采用DNA分子杂交技术。
(2)其次还要检测目的基因是否转录出mRNA,方法是用标记的目的基因作探针与mRNA杂交。
(3)最后检测目的基因是否翻译成蛋白质,方法是从转基因生物中提取蛋白质,用相应的抗体进行抗原--抗体杂交。
(4)有时还需进行个体生物学水平的鉴定。如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。
知识点拨:
1、构建基因文库的目的为了在不知目的基因序列的情况下,便于获得所需的目的基因。
2、PCR技术:是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。PCR扩增是获取目的基冈的一种非常有用的方法,也是进行分子鉴定和检测的一种很灵敏的方法。目的:通过指数式扩增获取大量的目的基因。
3、基因文库中不是直接保管相应基因,基因文库中的基因保存在受体菌中。
4、在基因工程的四个操作步骤中,只有第三步将目的基因导入受体细胞不需碱基互补配对,其余三个步骤都涉及碱基互补配对。
5、原核生物繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少,有利于目的基因的复制与表达,因此常用大肠杆菌等原核生物作为受俸细胞。
6、植物细胞的全能性较高,可经植物组织培养过程成为完整植物体,因此受体细胞可以是受精卵也可以是体细胞;动物基因工程中的受体细胞一般是受精卵。
7、转化的实质是目的基因整合到受体细胞染色体基因组中,从而使受体生物获得了新的遗传特性的现象,从其变化的实质看,这种变异属于可遗传变异中的基因重组。
知识拓展:
1、基因文库的构建:
(1)概念
①基因组文库:含有一种生物的全部基因。将含有某种生物不同基因的许多DNA片段,导入受体菌的群体中储存,各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因,称为基因组文库。
②cDNA文库:只包含了一种生物的部分基因。
(2)构建过程
基因组文库的构建 |
cDNA文库的构建 |
|
|
2、人工合成目的基因
(1)反转录法:
(2)人工合成目的基因
3、PCR技术扩增目的基因
①原理:DNA双链复制
②过程:
第一步:加热至90~95℃DNA解链;
第二步:冷却到55~60℃,引物结合到互补DNA链;
第三步:加热至70~75℃,热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成。