遺傳學(xué)教學(xué)中若干問題的探討*

李圣純 劉 會(huì)

（1湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 湖北武漢 430062 2武漢大學(xué)人民醫(yī)院血液內(nèi)科 湖北武漢 430060）

遺傳學(xué)是一門探究生物遺傳和變異規(guī)律的學(xué)科，是高等院校生命科學(xué)專業(yè)的重要必修課。遺傳學(xué)自1900年誕生至今，已由早期的經(jīng)典遺傳學(xué)、細(xì)胞遺傳學(xué)和分子遺傳學(xué)發(fā)展為各個(gè)層次的組學(xué)。在這100多年的發(fā)展歷程中，新的研究方法和研究技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使遺傳學(xué)成為生物學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展最快的學(xué)科之一。遺傳學(xué)的飛速發(fā)展，必然要求教學(xué)內(nèi)容的不斷更新。本文探討教學(xué)過程中困擾學(xué)生的幾個(gè)遺傳學(xué)問題，例如，果蠅（Drosophila）的連鎖群數(shù)、粗糙鏈孢霉（Neurospora crassa）的基因連鎖關(guān)系和質(zhì)-核型雄性不育，旨在拋磚引玉，為教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)提供有益的參考。

1 果蠅的連鎖群數(shù)

連鎖群指同一染色體上具有一定連鎖關(guān)系的基因群，實(shí)際上就是一條（對(duì)）染色體上的所有基因（座位）。生物的連鎖群數(shù)，一般等于該生物單倍體（haploid）［注意對(duì)于多倍體生物，其配子型單倍體包含數(shù)個(gè)一倍體（monoploid）］染色體數(shù)。例如，玉米有10個(gè)連鎖群，粗糙鏈孢霉有7個(gè)連鎖群等，都與染色體的對(duì)數(shù)是一致的。遺傳的染色體理論揭示：基因在染色體上呈線性排列。特別要注意的是，具有異形性染色體的生物，其性染色體不是嚴(yán)格的“成對(duì)”關(guān)系，分別形成連鎖群。人及其他哺乳動(dòng)物的連鎖群為24個(gè)，包括22對(duì)不同的常染色體，以及1對(duì)（X和Y）性染色體[1-2]。談及人的連鎖群數(shù)時(shí)，學(xué)生往往會(huì)對(duì)果蠅的連鎖群數(shù)產(chǎn)生疑問，果蠅的連鎖群數(shù)是幾個(gè)？

在回答此問題前，教師應(yīng)先讓學(xué)生弄清楚為何人的連鎖群數(shù)是24個(gè)。這是因?yàn)樵谌说腨染色體上也發(fā)現(xiàn)了少數(shù)連鎖基因。例如，外耳道多毛癥，該類遺傳病的致病基因位于Y染色體上，X染色體上沒有與之相對(duì)應(yīng)的基因，因此，這些基因表現(xiàn)為限雄遺傳。在部分遺傳學(xué)教材中均寫明黑腹果蠅（D.melanogaster）的連鎖群是4個(gè)，沒有Y連鎖群。而理解此內(nèi)容需要了解遺傳學(xué)的歷史。早在1914年，摩爾根等就已發(fā)現(xiàn)果蠅有4個(gè)連鎖群。至1942年，在果蠅中至少測(cè)定了494個(gè)基因，分別屬于這4個(gè)連鎖群之一[1-2]，并沒有Y染色體上的基因，染色體雖在，連鎖群卻未“出現(xiàn)”。果蠅的Y染色體上是否也有特殊的連鎖群？目前，在果蠅Y染色體上確實(shí)已鑒定出10多個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因[3]。因此，果蠅的連鎖群是5個(gè)，而不是4個(gè)。在Tamarin主編的《遺傳學(xué)原理》中認(rèn)為果蠅具有5個(gè)連鎖群[4]。筆者建議科研人員編寫遺傳學(xué)相關(guān)教材或引述此類問題能與時(shí)俱進(jìn)，更新歷史概念。

2 粗糙鏈孢霉的基因連鎖關(guān)系

遺傳學(xué)教材中[1-2]，在對(duì)粗糙鏈孢霉2對(duì)連鎖基因進(jìn)行遺傳學(xué)分析時(shí)指出，2對(duì)基因的雜交能產(chǎn)生36種子囊排列方式，如果忽略半個(gè)子囊內(nèi)的基因次序，此排列方式可合并成7種基本的子囊排列形式（表1）。

表1 nic+×+ade得到的7種不同的基本子囊型

在進(jìn)行子囊型分析時(shí)，常舉例提到基本子囊（5）型包括4種子囊型（表2），而對(duì)其他6類基本子囊型各包括多少種子囊型并未詳細(xì)介紹[1-2]。為了讓學(xué)生能正確分析此類問題，教師在授課時(shí)，首先，應(yīng)強(qiáng)調(diào)順序四分子直接代表了子囊中基因排列次序，由于子囊很窄小，子囊內(nèi)由于減數(shù)分裂產(chǎn)生的細(xì)胞核是嚴(yán)格地按一定順序排列的，著絲粒有隨機(jī)的趨向。正如基本子囊（5）型中，不論是nic+孢子對(duì)在“上面”，+ade孢子對(duì)在“下面”，還是+ade孢子對(duì)在“上面”，nic+孢子對(duì)在“下面”，僅反映了著絲粒的隨機(jī)趨向。根據(jù)基因型相同的子囊型可進(jìn)行合并的原則，在此列出所有的36種子囊型（表2）。

表2 nic+×+ade得到的36種不同的子囊型

3 質(zhì)-核型雄性不育

在“植物雄性不育”章節(jié)中，會(huì)講授由細(xì)胞質(zhì)基因和核基因互作控制的不育類型，即質(zhì)-核不育型，又稱為胞質(zhì)不育型（cytoplasmic male sterility，CMS）。CMS的不育性由細(xì)胞質(zhì)不育基因（S）和相對(duì)應(yīng)的核基因決定。當(dāng)S基因存在時(shí)，核內(nèi)必須是相對(duì)應(yīng)的純合隱性不育基因rf rf，個(gè)體才能表現(xiàn)不育[1-2]。學(xué)生往往對(duì)S基因的定位有些疑惑，即S基因在葉綠體還是線粒體？

葉綠體作為自主遺傳信息的重要細(xì)胞器，與核基因組和線粒體基因組相比，葉綠體基因組是基因密度最大的，在120～210 kb的基因組中含有120多個(gè)基因。在功能方面，葉綠體基因主要分為3類：①光合作用相關(guān)基因；②負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄和翻譯的相關(guān)基因；③其他功能相關(guān)的基因和開放閱讀框（例如，ycf基因）[5]?；谕粗亟M原理的葉綠體轉(zhuǎn)化技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)目的基因的靶向敲除，因此，該技術(shù)在反向遺傳學(xué)研究中得到了充分的利用[6]。分析煙草突變體的表型，目前，還沒有關(guān)于CMS的突變體報(bào)道[5]。雖然基于葉綠體轉(zhuǎn)化技術(shù)的靶向基因敲除會(huì)受限于少數(shù)物種的研究[6]，但細(xì)胞器基因組編輯技術(shù)的發(fā)展[7]，將有助于人們更深入地研究葉綠體DNA是否與CMS相關(guān)。

CMS植物中的S基因是否定位于線粒體中？2019年，日本科學(xué)家利用線粒體靶向的轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶（mitoTALENs），特異性地敲除水稻品種BTA線粒體中的orf79基因和甘藍(lán)型油菜品種SW18線粒體中的orf125基因后，均恢復(fù)了雄性可育性。此研究結(jié)果驗(yàn)證了這些基因的功能變化是CMS產(chǎn)生的基礎(chǔ)[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)遺傳學(xué)迅速發(fā)展的現(xiàn)狀，從事遺傳學(xué)教學(xué)的一線教師會(huì)遇到各種新問題，在此情況下，學(xué)科教學(xué)的交流和探討格外重要。本文結(jié)合最新的科學(xué)研究成果，探討了教學(xué)中困擾學(xué)生較多的幾個(gè)問題。通過此探究，有利于將教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)系統(tǒng)化、簡(jiǎn)明化，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力；有利于激發(fā)學(xué)生探索的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。