关于一道浙江高考题的深度探讨

关于一道浙江高考题的深度探讨黄元国（江苏省泗洪中学223900）摘要本文通过一道2010年浙江高考题的分析，介绍了基因工程育种中的外源基因遗传方式，对转基因植物的基因型以及遗传图解的写法进行了探讨，并对2010年浙江高考综合卷第30题的命题立意和参考答案进行了深度探讨。关键词高考试题浙江高考基因工程外源基因遗传图解遗传方式孟德尔的遗传规律是中学生物教学的重要内容，也是高考试卷百考不厌的压轴题类型之一，它能考查学生的生物学基础知识、推理能力。如何在传统的试题中注入新的生命力，在新情境下考查学生的综合分析能力和知识迁移能力，浙江2010年高考综合卷第30题进行了一定的尝试：在基因工程育种知道背景下，整合了传统的遗传知识，以指挥捧的形式引导生物教学要关注生命科学前沿，让学生学会用已有的知识解释新的生命现象，对中学生物教学也具有促进作用。但是，由于该题没有考虑外源基因在育种过程中转递的自身特点，命题的立意和参考答案都存在一定的缺憾，笔者结合外源基因遗传方式，对该题进行深度分析，现与同仁交流如下。1试题及分析1.1试题及答案（2010年浙江综合卷，第30题）苏云金芽孢杆菌产生的毒蛋白能使螟虫死亡。研究人员将表达这种毒蛋白的抗螟虫基因转入非糯性抗稻瘟病水稻的核基因组中，培育出一批转基因抗螟水稻。请回答：⑴染色体主要由组成，若要确定抗螟基因是否已整合到水稻的某一染色体上，方法之一是测定该染色体的。⑵选用上述抗螟非糯性水稻与不抗螟糯性水稻杂交得到F1，从F1中选取一株进行自交得到F2，F2的结果如下表：表现型抗螟非糯性抗螟糯性不抗螟非糯性不抗螟糯性个体数142485016分析表中数据可知，控制这两对性状的基因位于染色体上，所选F1植株的表现型为。亲本中抗螟非糯性水稻可能的基因型最多有种。⑶现欲试种这种抗螟水稻，需检验其是否为纯合子，请用遗传图解表示检验过程（显、隐性基因分别用B、b表示），并作简要说明。⑷上表中的抗螟水稻均能抗稻瘟病（抗稻瘟病为显性性状），请简要分析可能的原因。①。②。答案：⑴DNA和组蛋白DNA序列⑵非同源（两对）抗螟非糯性4⑶或⑷①选取的F2是抗稻瘟病纯合子②抗螟基因与康稻瘟病基因位于同一条染色体上。1.2试题分析该题第⑴小题从染色体的组成入手，考查遗传信息等基本知识。第⑵小题从表格可以看出，F2的表现型比例接近为9：3：3：1，抗螟对不抗螟为显性、非糯性对糯性为显性，这两对基因位于非同源染色体上，符合孟德尔的自由组合定律。所选F1植株的表现型应为抗螟非糯性；若要正确解答第3小问，必须注意题干中“从F1中选取一株进行自交”的提示，它说明F1不只“抗螟非糯性”一种性状，“抗螟非糯性”只是F1代中的一种，这为解答“抗螟非糯性水稻可能的基因型的最多种类”奠定基础。考生往往由于思维定势，认为F1只为抗螟非糯性一种性状，而对此问无从下手，甚至在网络上流传的多版本试题分析对此问也避而不谈。解答此问还必须写出所选F1植株的基因型，结合上下文，所选F1植株的基因型可以写作BbWw（假定水稻的非糯性基因为W，糯性基因为w），则亲本中抗螟非糯性水稻可能的基因型写作BW，最多有4种，即BBWW、BBWw、BbWW、BbWw。第⑶小题考查了纯合子的鉴定方法和遗传图解的规范书写，两种方法只要写出一种即可。第（4）小题涉及到连锁遗传，考查了考生的分析能力，学生能够较容易知道“抗螟基因与康稻瘟病基因位于同一条染色体上”，而“选取的F2是抗稻瘟病纯合子”则需要考生具有较强的全局把握能力，答案虽然不难，但考生容易忽视。纵观试题及参考答案不难发现，此题的题干和答案中多处引入了抗螟基因（B）的等位基因（b），它的引入确实让题目的难度降低了，但却“潜规则”了基因工程育种的本来面目。2外源基因的遗传方式在作物的基因工程育种中，通过获得优良的外源基因（目的基因），将优良的外源基因与运载体结合，再转入受体细胞，可实现不同种生物之间基因的重组，从而达到不同种生物之间的性状重组目的。在受体细胞的基因组中，一般不含外源基因，这是基因工程育种的基础。现行的各种版本教材主要介绍了如何将外源基因导入受体细胞或整合到受体细胞的染色体DNA分子中，以及外源基因的检测、筛选和表达的基础知识。外源基因在转基因植物的遗种接代过程中的遗传稳定性和遗传方式则没有涉猎。基因工程育种的过程包括制定转基因作物育种的目标、确定转基因作物育种的方法及获得转基因的植株、选育转基因作物的品种等步骤。由于不同品种被外源基因的转化能力不同，研究中往往选择较易被转化的品种作为受体来获得转基因植株，对其它目标性状要求不太高。将外源基因导入植株只赋予该株特定的目标性状，而该株的其它目标性状不一定符合生产要求。因此，获得的转基因植株从育种角度来看，只是产生的一种种质资源，很少直接作为新品种进行推广。若想得到在生产上可以利用的新品种，必须运用杂交、回交或自交等传统育种技术，选育出整合了外源基因在内的一系列目标性状后的品种才具推广价值[1]，这也正是上述浙江高考题的科学基础。在转基因植物新品种的选育过程中，外源基因的遗传方式主要表现为以下三种。2.1外源基因的单基因显性遗传转基因遗传研究结果表明，2/3以上转化植株的外源基因呈现出单基因显性的遗传方式。自交后代性状比为3：1，与非转化亲本杂交后代则表现出1：1的性状分离。一般来说，农杆菌介导的遗传转化后代多呈简单的孟德尔遗传，这是因为Ti质粒在受体染色体组上一般以特异的交换重组方式整合，整合的位置较固定而且拷贝数（目的基因的数目）较少[1]。在基因工程育种过程中，科技人员往往更注重如何获得转基因植物以及外源基因是否符合孟德尔遗传方式，对外源基因的传递过程中的“遗传图解”写法则不太重视，因此可参考的资料较少。以水稻的抗螟与不抗螟性状为例，在经典孟德尔分离定律中，杂合的抗螟植株（Bb）自交和测交遗传图解的写法分别为如图1和图2。转基因抗螟水稻的抗螟性状呈显性，原因在于非转基因水稻的本身不存在“抗螟基因”以及“不抗螟基因”，经抗螟基因(B)的转化，转基因抗螟水稻中的抗螟基因由于无等位基因的抑制，表现出显性，T0代（指刚转化的植株）抗螟水稻表现出杂合子的特性，但基因型应写作“BO”[2]，而不应写作“Bb”，此处的“O”表示在转基因抗螟水稻体内缺少抗螟基因（B）及其等位基因。抗螟转基因水稻自交和测交遗传图解的写法应分别为如图3和图4所示更为合理，这种写法既能解释自交后代的3：1性状分离比、测交后代的1：1性状分离比，而且更能客观地反映基因工程育种的实际，因此外源基因的遗传图解写法不应照搬传统的遗传图解。从图4也可以看出转基因植物与非转基因植物的杂交过程中，外源基因通过花粉，在同种的转基因植物与非转基因植物间的进行交流，这又关系到转基因植物的生态安全，也是基因工程必须面对的问题之一。2．2外源基因的多基因显性遗传转基因分离方式并不是都表现出孟德尔的3：1分离比，往往要复杂得多。这种性状分离比的多样性与整合到受体染色体DNA中的转基因的拷贝数和整合方式有关。多拷贝整合也是常见的外源基因整合方式，可以是2个、3个甚至更多，这些目的基因有的在一条染色体上以连锁的形式整合，有的则分别独立整合在非同源染色体上，有的连锁与独立整合共存。不同的实验方法，目的基因在转基因植物中的拷贝数是不同的，农杆菌介导转化法的转基因植株的目的基因拷贝数相对少一些，而基因枪法转化产生的转基因植株的目的基因拷贝数相对多一些[3]；即使是同一种受体细胞、同一种目的基因和同一种方法，在不同次的实验中，目的基因的拷贝数也不同[4]。若多个目的基因以连锁的形式整合在一条染色体上，其自交符合单基因的3：1的性状分离比；若多个目的基因分别独立整合在非同源染色体上，则每个目的基因分离都符合孟德尔的分离定律，各个目的基因的分离互不影响，表现出自由组织现象。如2个目的基因的植株自交中，植株产生的雌雄配子基因组合为BB:BO:OO=1:2:1，后代中的性状分离比为15：1；同理，3个目的基因的植株自交后代中的性状分离比为63：1。2.3外源基因的非孟德尔遗传虽然转基因植物的外源基因遗传方式有的表现出孟德尔的分离现象，但外源基因的分离与其所控制性状的分离不一定吻合，表现出非孟德尔遗传方式。这是由于外源基因的重排、缺失、外源基因导入诱发的隐性致死突变、转基因纯合致死或含转基因的雄配子致死等因素。也就是说基因的分离和由该基因控制的性状分离是在不同层次上进行的，显性个体比例明著低于孟德尔比例的现象也普遍存在，甚至有的转基因植株自交一代符合3：1的分离规律，自交二代却不符合孟德尔规律[1]，有基因沉默现象。因此，只有选育出基因和性状的共分离，外源基因能稳定遗传的株系，才能算培育成有推广价值的纯合转基因品种，但这也是基因工程育种的难点之一。3对浙江高考题的讨论有了上述外源基因的遗传方式介绍，反过来再看淅江此道高考题的问题之设置和参考答案，则不难发现有多处值得商榷。3.1抗螟非糯性水稻可能的基因型种类在题干中，“研究人员将表达这种毒蛋白的抗螟虫基因转入非糯性抗稻瘟病水稻的核基因组中，培育出一批转基因抗螟水稻”这句话有一定的争论：这批转基因抗螟水稻到底是刚转化的T0代植株，还是经过自交、选育后得到T1、T2、T3、……Tn代植株呢？这关系到第⑵小题基因型种类的确定。若亲本为T0代植株，则根据试题的第⑵小题所给的表格分析，可以得出抗螟虫基因在转基因植株体内是典型的单基因显性遗传，亲本中抗螟非糯性水稻可能的基因型只可能是两种（基因型可写作B0WW或B0Ww），不可能是答案中的4种，因为通过基因工程直接得到纯合的外源基因，目前还无报导。若以Tn植株作为亲本，亲本植株的基因型才可能有参考答案中4种（基因型可写作BBWW、BBWw、B0WW或B0Ww），笔者请教了多位育种专家，也未能确定出该题是以第几代为亲本的，答案也就存在了较大争议。3.2抗螟水稻的纯合子检验及遗传图解写法根据上文所述，刚培育出的抗螟水稻基因型表现为杂合子，欲培养出可推广的抗螟水稻，还要不断地自交、选育，方可出现纯合的抗螟水稻。试题第⑶小题从命题立意看，只是为考查学生的知识运用和遗传图解书写能力。其中参考答案中基因型的表示方法存在着较大的漏洞（见原题答案），遗传图解的写法方式也存在问题。更合理的答案应为：自交的遗传图解应该写作图5；测交的遗传图解应写作图6。4结论基因工程育种过程，外源基因的遗传方式既表现出多样性，又有其自身特点。由于受体细胞内不存在外源基因的等位基因，遗传图解的写法要在经典的孟德遗传规律的基础上进行一定的修改，才能既能反映出外源基因传递过程中的性状分离比，又要体现出转基因植物的合理基因型和基因工程的本来面目。但此道浙江高考试题，以基因工程育种此为知识背景，考查学生的遗传图解书写和运用能力，出现照顾中学知识，降低了试题科学性的顾此失彼现象，这是生物教学和命题中颇值思考的问题。主要参考文献[1]张天真2003.作物育种学总论（面向21世纪课程教材）.北京：中国农业出版社，258~276[2]施荣华，李学宝.2000.外源基因在转基因油菜后代中的表达及遗传学分析.华中师范大学学报（自然科学版），34（2）：208~212[3]程在全,黄兴奇，RayWU.2001.基因枪法和农杆菌介导法对水稻转基因拷贝数和基因重排概率的影响(英文).植物学报(英文版)，43（8）：826~833[4]王育花，赵森，陈芬，等.2007.利用实时荧光定量ＰＣＲ法检测转基因水稻外源基因拷贝数的研究.生命科学研究，11（4）：301~305作者电话：[phone]手机：[phone]Email:[e-mail]