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
染色体变异:
1、染色体变异分为染色体结构变异和数目变异。
(1)染色体结构变异
①概念:排列在染色体上的基因的数目或排列顺序发生改变,而导致性状的变异。
②类型:在自然条件或人为因素的影响下,染色体结构的变异主要有以下4种:缺失、重复、倒位、易位。 ③结果:染色体结构变异都会使排列在染色体上的基因的数目或排列顺序发生改变,从而导致性状的改变。
类型 |
定义 |
实例 |
示意图 |
缺失 |
一条正常染色体断裂后丢失某一片段引起的变异。 |
猫叫综合征 |
|
重复 |
染色体增加某一片段引起的变异。一条染色体的某一片段连接到同源的另一条染色体上,结果后者就有一段重复基因。 |
果蝇棒状眼 |
|
倒位 |
染色体中某一片段位置颠倒180°后重新结合到原部位引起的变异。基因并不丢失,因此一般生活正常。 |
— |
|
易位 |
染色体的某一片段移接到另一条非同源染色体上引起的变异 |
人慢性粒细胞白血病 |
|
2、染色体数目变异
(1)染色体数目变异的种类
①细胞内的个别染色体增加或减少。
②细胞内染色体数日以染色体组的形式成倍地增加或减少,
(2)染色体组
①概念:细胞中的一组非同源染色体,它们在形态和功能上各不相同,但是携带着控制一种生物生长发育、遗传和变异的全部遗传信息,这样的一组染色体叫做一个染色体组。
②条件:
a、一个染色体组中不含有同源染色体;
b、一个染色体组中所含的染色体形态、大小和功能各不相同;
c、一个染色体组中含有控制生物性状的一整套基因。
(3)单倍体和多倍体比较
项目 |
单倍体 |
多倍体 |
概念 |
体细胞中含有本物种配子染包体数目的个体 |
体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体 |
成因 |
自然成因 |
由配子直接发育成个体,如雄蜂是由未受精的卵细胞发育而来 |
外界环境条件剧变 |
人工诱导 |
花药离体培养 |
用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗 |
发育起点 |
配子 |
受精卵或合子 |
植株特点 |
植株弱小 |
茎秆粗壮,叶片、果实和种子比较大,营养物质含量丰富,发育延迟,结实率低 |
可育性 |
高度不育 |
可育,但结实性差 |
应用 |
单倍体育种 |
多倍体育种 |
注:①二倍体:有受精卵发育而成,体细胞中含有两个染色体组的个体。
②染色体组:细胞中的一组非同源染色体,它们在形态和功能上各不相同,但是携带着控制一种生物生长发育、遗传和变异的全部信息,这样的一组染色体,叫做一个染色体组。
3、染色体变异在实践中的应用
(1)单倍体育种
例:
②优点:明显缩短育种年限,后代一般是纯合子。
(2)多倍体育种
①方法:用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗。
②成因:秋水仙素抑制纺锤体的形成。
④实例:二倍体无子西瓜的培育。
表解基因重组、基因突变和染色体变异的不同:
项目 |
基因重组 |
基因突变 |
染色体变异 |
概念 |
因基因的重新组合而发生的变异 |
基因结构的改变,包括DNA碱基对的替换、增添和缺失 |
染色体结构或数目变化而引起的变异 |
类型 |
①非同源染色体上的非等位基因自由组合;②同源染色体的非姐妹染色单体之间的交叉互换 |
①自然状态下发生的——自然突变;②人为条件下发生的——人工诱变 |
①染色体结构变异;②染色体数目变异 |
鉴定方法 |
光学显微镜下均无法检出,可根据是否有新性状或新性状组合确定 |
光学显微镜下可检出 |
适用范围 |
真核生物进行有性生殖的过程中发生 |
任何生物均可发生(包括原核生物、真核生物及非细胞结构的生物) |
真核生物遗传中发生 |
生殖类型 |
自然状态下只在有性生殖中发生 |
无性生殖和有性生殖均可发生 |
无性生殖和有性生殖均可发生 |
产生机理 |
由基因的自由组合和交叉互换引起 |
基因的分子结构发生改变的结果 |
染色体的结构或数目发生变化的结果 |
细胞分裂 |
在减数分裂中发生 |
无丝分裂、有丝分裂、减数分裂均可发生 |
有丝分裂和减数分裂中均可发生 |
产生结果 |
只改变基因型,未发生基因的改变,既无“质”的变化,也无“量”的变化 |
产生新的基因,发生基因“种类”的改变,即有“质”的变化,但无“量”的变化 |
可引起基因“数量”的变化,如增添或缺失几个基因 |
意义 |
生物变异的来源之一,对生物进化有十分重要的意义 |
生物变异的根本来源,提供生物进化的原材料 |
对生物进化有一定意义 |
育种应用 |
杂交育种 |
诱变育种 |
单倍体、多倍体育种 |
知识点拨:染色体组数的判定
1.染色体组数的判断方法
(1)根据细胞中染色体的形态判断
细胞内同一种形态的染色体有几条,则含有几个染色体组。如图A细胞内同种形态的染色体有3条,则该细胞中有3个染色体组;图C细胞内同一种形态的染色体有1条,则该细胞中有1个染色体组。
细胞内有几种形态的染色体,一个染色体组内就有几条染色体。如图A细胞内有3种形态的染色体,则该细胞的一个染色体组内就有3条染色体;如图C 细胞内有5种形态的染色体,则该细胞的一个染色体组内就有5条染色体。
(2)根据基因型判断
在细胞或生物体的基因型中,控制同一性状的基因出现几次,则含有几个染色体组,可简记为“同一英文字母无论大写还是小写,出现几次就含几个染色体组”。如图B细胞内控制同一性状的基因出现4次,则含有4个染色体组。
(3)根据染色体数目的形态数判断
染色体组的数目=染色体数/染色体的形态数
如图A细胞内共含有9条染色体,染色体的形态数是3种,9/3=3,则该细胞内含有3个染色体组;如图 B细胞内共含有8条染色体,染色体的形态数是2种, 8/2=4,则该细脆内含有4个染色体组;如图C细胞内共含有5条染色体,染色体的形态数是5种,5/5=1,则该细胞内含有1个染色体组。
2.一些细胞分裂图中的染色体组数判断(如图)
①减数第一次分裂的前期,染色体4条,生殖细胞中含有染色体2条,每个染色体组有2条染色体,该细胞中有2个染色体组。
②减数第二次分裂的前期,染色体2条,生殖细胞中含有染色体2条,每个染色体组有2条染色体,该细胞中有1个染色体组。
③减数第一次分裂的后期,染色体4条,生殖细胞中含有染色体2条,每个染色体组有、2条染色体,该细胞中有2个染色体组。
④有丝分裂后期,染色体8条,生殖细胞中含有染色体2条,每个染色体组有2条染色体,该细胞中有4 个染色体组。
知识拓展:
1、基因突变是染色体的某一位点上基因中碱基对的改变,是分子水平的变异,而染色体变异则是比较明显的染色体结构或数目的变异,属于细胞水平的变异。
2、判定生物是单倍体、二倍体、多倍体的关键是看它的发育起点。若发育起点是配子,不论其体细胞中含有几个染色体组都叫单倍体。若发育起点是受精卵,其体细胞中有几个染色体组就叫几倍体。
3、体细胞染色体组为奇数的单倍体与多倍体高度不育的原因:进行减数分裂形成配子时,同源染色体无法正常联会或联会紊乱,不能产生正常配子。
4、单倍体育种得到的一般是纯合子。二倍体生物的花粉经单倍体育种后,得到的一定是纯合子植株。四倍体等多倍体的花粉经离体培养、秋水仙素处理后,可能产生杂合子。如BBbb的花粉基因型有三种:BB、 Bb、bb,培养处理后基因型分别是BBBB、BBbb(杂合子)、bbbb。
5、用秋水仙素处理使植株染色体数目加倍,若操作对象是单倍体植株,叫单倍体育种;若操作对象为正常植株,叫多倍体育种。不能看到“染色体数目加倍” 就认为是多倍体育种。
6、不同生物的变异类型不同,不同生殖方式所带来的变异类型亦不相同,探究变异原因与变异类型时首先应注意的是生物的不同种类和生殖方式。
(1)病毒的可遗传变异的来源——基因突变。
(2)原核生物可遗传变异的来源——基因突变。
(3)真核生物可遗传变异的来源:
①进行无性生殖时——基因突变和染色体变异;
②进行有性生殖时——基因突变、基因重组和染色体变异。
诱变育种:
1、概念:利用物理因素或化学因素来处理生物,使生物发生基因突变,利用这些变异培育新品种的方法叫做诱变育种。
2、原理:基因突变。
3、
4、过程:
5、优点:提高突变率,在较短时间内获得更多的优良变异类型,加快育种进程,大幅度改良某些性状。
6、缺点:盲目性大,有利变异少,需要大量处理供试材料,工作量大。
7、应用:主要应用于农作物育种和微生物育种,可以创造动植物、微生物新品种。
知识拓展: 1、作物的繁殖方式不同对杂交育种的要求不同。
①若该生物靠有性生殖繁殖后代,如小麦、大豆等,必须选育出优良性状的纯种,以免后代发生性状分离。
②若该生物靠无性生殖繁殖后代,如甘薯、马铃薯等,那么只要得到具有该优良性状的个体就可以了,因为纯种、杂种并不影响后代性状的表达。
2、原核生物不能进行减数分裂,所以不能运用杂交育种,细菌的育种一般采用诱变育种。
基因工程的应用:1、植物基因工程:
|
外源基因类型及举例 |
成果举例 |
抗虫转基因植物 |
抗虫基因:Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因 |
抗虫水稻、抗虫棉、抗虫玉米 |
抗病转基因植物 |
(1)抗病毒基因:病毒外壳蛋白基因、病毒复制酶基因(2)抗真菌基因:几丁质酶基因、抗毒素合成基因 |
抗病毒烟草、抗病毒小麦、抗病毒番茄、抗病毒甜椒 |
抗逆转基因植物 |
抗逆基因:调节细胞渗透压基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因 |
抗盐碱和抗干旱的烟草、抗寒番茄、抗除草剂的大豆和玉米 |
改良品质的转基因植物 |
优良性状基因:提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、控制番茄成熟的基因、与花青素代谢有关的基因 |
高赖氨酸玉米、耐储存番茄、新花色矮牵牛 |
2、动物基因工程:
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外源基因类型及举例 |
成果举例 |
提高生长速度的转基因动物 |
外源生长激素基因 |
转基因绵羊、转基因鲤鱼 |
改善畜产品品质的转基因动物 |
肠乳糖酶基因 |
乳汁中含乳糖较少的转基因牛 |
生产药物的转基因动物 |
药用蛋白基因+乳腺蛋白基因的启动子 |
乳腺生物反应器 |
作器官移植供体的转基因动物 |
外源的抗原决定基因表达的调节因子或除去供体的抗原决定基因 |
无免疫排斥的转基因猪 |
3、基因诊断与基因治疗
(1)基因诊断:DNA分子杂交法(即DNA探针法),该方法是根据碱基互补配对原则,把互补的双链 DNA解开,把单链的DNA小片段用同位素、荧光分子或化学发光催化剂等进行标记,之后同被检测的DNA 中的同源互补序列杂交,从而检出所要查明的DNA或基因。
(2)基因治疗的方法:基因置换、基因修复、基因增补、基因失活等。
(3)基因治疗的途径
①体外基因治疗:先从病人体内获得某种细胞进行培养,然后在体外完成基因转移,再筛选成功转移的细胞扩增培养,最后重新输入患者体内。如腺苷酸脱氨酶基因的转移。
②体内基因治疗:用基因工程的方法,直接向人体
知识拓展:
1、Bt毒蛋白基因产生的Bt毒蛋白并无毒性,进入昆虫消化道被分解成多肽后产生毒性。
2、青霉素是谤变后的高产青霉菌产生的,不是通过基因工程改造的工程菌产生的。
3、动物基因工程的应用主要体现在提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物等方面。 4、动物基因工程主要为了改善畜产品的品质,不是为了产生体型巨大的个体。
5、乳腺生物反应器产量高、质量好、成本低、易提取,在高价值蛋白质的生产上比工厂化生产更具有优越性二。
6、用基因工程的方法,使外源基因得以高效表达的菌类细胞株系一般称为“工程菌”。
7、基因诊断是采用基因检测的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体。基因治疗指利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法。
8、基因工程与环境保护
亲子鉴定:利用医学、生物学和遗传学的理论和技术,从子代和亲代的形态构造或生理机能方面的相似特点,分析遗传特征,判断父母与子女之间是否是亲生关系。
使用国产制剂进行亲子鉴定
鉴定亲子关系目前用得最多的是DNA分型鉴定。人的血液、毛发、唾液、口腔细胞及骨头等都可以用于亲子鉴定,十分方便。
利用DNA进行亲子鉴定,只要作十几至几十个DNA位点作检测,如果全部一样,就可以确定亲子关系,如果有3个以上的位点不同,则可排除亲子关系,有一两个位点不同,则应考虑基因突变的可能,加做一些位点的检测进行辨别。DNA亲子鉴定,否定亲子关系的准确率几近100%,肯定亲子关系的准确率可达到99.99%。
9、基因芯片的基本原理:就是最基本的DNA分子杂交,利用基因芯片检测某种基因时,先将待测样品制成荧光标记的DNA探针,让它与基因芯片上已知序列的DNA片段杂交,杂交信号经放大后输入计算机进行统计分析,这样就可以检测出样品DNA序列。
用途:用来检测基因表达的变化、分析基因序列、寻找新的基因和新的药物分子。利用基因芯片,可以比较同一物种不同个体或物种之间,以及同一个体在不同生长发育阶段、正常和疾病状态下基因表达的差异,寻找和发现新的基因,研究基因的功能以及生物体在进化、发育、遗传等过程中的规律。