擬南芥
——植物遺傳命題的好材料

吉林 姜萬錄

擬南芥
——植物遺傳命題的好材料

吉林 姜萬錄

擬南芥是十字花科二年生草本植物。該植物具有以下特點：植株形態個體小，高度只有30 cm左右，占地少，在有限空間內可大量種植；生長周期快，每代時間短，從播種到收獲種子一般只需6周左右；種子多，每株每代可產生數千粒種子；形態特征簡單，生命力強，用普通培養基就可人工培養；基因組小，只有5對染色體，其基因組測序已于2000年完成。擬南芥是嚴格閉花自花受粉植物，基因高度純合，用理化因素處理突變率很高，容易獲得各種代謝功能的缺陷型。擬南芥是進行遺傳學研究的典型材料，是目前公認的五大模式生物之一，被科學家譽為“植物中的果蠅”。在各類考試中已成為植物遺傳命題的好材料。

一、遺傳學研究的材料

【例1】（改編）擬南芥（2n＝10）是路邊常見的小草（如圖），自花傳粉，現在成為一種特別理想的遺傳學研究材料。擬南芥作為實驗材料的優點不包括 （ ）

A. 染色體數目少，便于顯微鏡觀察和計數

B. 個體較小，適合于實驗室大量種植

C. 生命周期很短，子代數量多

D. 自花傳粉，野生型基因高度純合

【解析】A項為優點之一，由題干可知，擬南芥染色體數目2n＝10，染色體數目少，便于顯微鏡觀察和計數；B項不能成為優點，擬南芥植株小方便其在有限的空間里培養，它對環境適應能力強，并不一定非要適合于實驗室大量種植；C項為優點之一，擬南芥生長周期快，每代時間短，從播種到收獲種子一般只需6周左右，這樣大大節省了實驗時間；D項為優點之一，自花傳粉，基因高度純合，有助于進行遺傳實驗研究。

【答案】B

二、用于遺傳規律研究

【例2】（改編）擬南芥（2n=10）生活史短，進行自花受粉，是遺傳學研究的好材料。自然界中，野生型擬南芥的種皮為褐色，偶有種皮為黃色（由基因S和s控制）的個體；葉片正常的擬南芥后代中會出現葉片卷曲（由基因 T或t控制）的個體。請回答：

（1）黃色種皮擬南芥的出現是________的結果。若讓褐色種皮的個體自交，子代中出現一定比例的黃色種皮的個體，則黃色為_______性狀。

（2）若褐色種皮、葉片卷曲植株與黃色種皮、葉片正常的植株雜交，產生的 F1僅表現一種性狀，F1自交，產生的F2中葉片卷曲、黃色種皮的植株有51株，葉片正常、褐色種皮的植株有462株，由此得出：控制擬南芥種皮顏色及葉片形狀的基因的遺傳符合_______定律。F1的表現型為_______，親本的基因型為________。

【解析】（1）自然界中，野生型擬南芥的種皮為褐色，偶有種皮為黃色的個體。說明黃色種皮擬南芥的出現是基因突變的結果。褐色種皮的個體自交，子代出現了性狀分離，說明褐色為顯性性狀，黃色為隱性性狀。（2）F2中葉片正常、褐色種皮的植株∶葉片卷曲、黃色種皮的植株=462∶51≈9∶1，符合兩對相對性狀遺傳中孟德爾比數9∶3∶3∶1的比例中雙顯∶雙隱=9∶1。說明這兩對相對性狀的遺傳遵循基因的自由組合定律。F1表現為雙顯性性狀，即葉片正常、褐色種皮，雙親為顯隱性和隱顯性的純合子，基因型為SStt 和ssTT。

【答案】（1）基因突變 隱性 （2）自由組合 葉片正常、褐色種皮 SStt和ssTT

三、用于基因功能研究

【例3】（2015·廣州模擬）科研人員向野生型擬南芥的核基因組中隨機插入已知序列的Ds片段（含卡那霉素抗性基因），導致被插入基因突變，篩選得到突變體Y。因插入導致某一基因（基因A）的功能喪失，從突變體Y的表現型可以推測野生型基因A的功能。

（1）將突變體Y自交所結的種子用70%酒精__________處理后，接種在含有卡那霉素的培養基中，適宜條件下光照培養。由于卡那霉素能引起野生型植物黃化，一段時間后若培養基上的幼苗顏色為綠色，則可確定植物DNA中含有_____________________。

（2）統計培養基中突變體Y的自交后代，綠色幼苗3 326株、黃色幼苗3 544株，性狀分離比例接近于____________，這一結果______________（填“符合”或“不符合”）孟德爾自交實驗的比例。

（3）研究人員進一步設計測交實驗以檢測突變體Y產生的_____________，實驗內容及結果見下表。由實驗結果可知，Ds片段插入引起的基因突變會導致________________致死，進而推測基因A的功能與____________有關。

（4）提取突變體Y的基因組DNA，限制酶切割后用______________連接，依據Ds片段的已知序列設計引物，擴增出

_________，進一步測定其序列。

測交親本實驗結果突變體Y（♀）×野生型（♂）綠色∶黃色=1.03∶1突變體Y（♂）×野生型（♀）黃色

【解析】（1）為避免雜菌污染，突變體Y自交所結的種子用70%酒精處理是進行消毒，卡那霉素能引起野生型植物黃化，而該培養基上的植物仍是綠色，說明其含有抗卡那霉素基因，Ds片段含卡那霉素抗性基因，則可確定植物DNA中含有Ds片段。（2）由自交后代統計結果分析可知綠色∶黃色接近1∶1，不是3∶1，這一結果不符合孟德爾自交實驗的比例。（3）測交實驗的目的是通過子代表現型的種類和比例推測親代產生配子的種類和比例，進一步推測親代的基因型。表格數據顯示，當突變體Y作為母本時，子代性狀分離比接近1∶1，而作為父本時子代全為黃色，可以推測父本產生的含Ds片段的雄配子（花粉）致死，進而推測，基因A的功能與雄配子（花粉）正常發育有關。（4）基因工程中要用DNA連接酶連接DNA片段。由題干可知，Ds片段的插入導致基因A功能喪失，而從突變體Y的表現型可以推測基因A的功能，故第（3）問明確基因A的功能以后，可以利用PCR技術擴增基因A的DNA片段，可做進一步測序。

【答案】（1）消毒 Ds片段 （2）1∶1 不符合 （3）配子類型及比例 雄配子（或花粉） 正常發育 （4）DNA連接酶 基因A（或基因A片段）

【例4】（2015·海淀區模擬）科研人員為了探究擬南芥A基因的功能，進行了如下研究。

（1）科研人員將T-DNA中插入了卡那霉素抗性基因的農桿菌在__________培養基中震蕩培養，獲得轉化液。用__________至適當濃度的轉化液對野生型擬南芥進行轉化，T-DNA插入導致A基因發生__________，得到突變型擬南芥。

（2）科研人員用突變型擬南芥進行了雜交實驗，結果如下表所示。

依據_________，判斷突變型擬南芥的基因型為Aa，依據_________不同，推測A基因喪失影響雄配子的產生。子代卡那霉素敏感型個體的基因型為_________。

（3）為探究A基因在聯會過程中對交換頻率的影響，科研人員將黃色（Y）和綠色（C）熒光蛋白基因整合到突變型和野生型擬南芥的同一條染色體上，得到基因型為aaYyCc和AAYyCc的植株。觀察并統計aaYyCc植株產生的不同熒光的花粉數量（假設最多只發生一次交換），與AAYyCc植株進行比較，得到下表所示結果。

花粉數量無熒光黃色和綠色熒光黃色熒光綠色熒光AAYyCc植株（對照組）2 631 2 631 731 731 aaYyCc植株（實驗組）991 991 168 168

據表分析，__________熒光的花粉是通過交叉互換產生的，對照組未發生交叉互換的花粉母細胞的數量是________。對照組植株和實驗組植株的重組配子所占的比例分別為_________，由此說明A基因功能喪失導致交換頻率_________。

親本子代（卡那霉素抗性/卡那霉素敏感）突變型擬南芥自交2.93突變型♀×野生型♂1.03突變型♂×野生型♀0.47

【解析】（1）農桿菌需用液體培養基震蕩培養，然后用稀釋至適當濃度的轉化液進行轉化。T-DNA插入擬南芥基因組中導致A基因堿基對增添而發生基因突變，從而得到突變型擬南芥。（2）科研人員用突變型擬南芥進行了雜交實驗，依據突變型擬南芥自交，子代卡那霉素抗性∶卡那霉素敏感=2.93，約為3∶1，符合孟德爾分離定律，由此判斷突變型擬南芥為雜合子基因型為Aa。又根據正反交結果不同，可推知A基因喪失影響雄配子產生?？敲顾孛舾行蛡€體A基因中沒有插入的T-DNA，基因正常應該是純合子，基因型為AA。（3）交叉互換發生在減數分裂四分體時期，由于聯會同源染色體發生交叉互換的頻率低，所以花粉數少的為交叉互換產生的，依據表中數據可知黃色和綠色熒光花粉是通過交叉互換產生的。由于交叉互換發生在同源染色體非姐妹染色單體之間，在一次減數分裂過程中產生四種配子，其中兩種是親組合類型，另兩種為重組合類型。對照組未發生交叉互換的花粉母細胞的數量是（2 631-731+2 631-731）/4=950。對照組植株重組配子所占的比例為重組合配子/（重組合配子+親組合配子）=（731+731）/（2 631+2 631+731+731）≈21.7%，實驗組植株的重組配子所占的比例為（168+168）/（991+991+168+168）≈14.5%。通過對照組與實驗組互換率比較可知實驗組低于對照組，說明A基因功能喪失導致交換頻率降低。

【答案】（1）液體 稀釋 基因突變 （2）突變型擬南芥自交子代卡那霉素抗性∶卡那霉素敏感=3∶1 突變型與野生型雜交的正反交結果 AA （3）黃色、綠色 950 21.7%和14.5% 降低

四、用于基因工程研究

【例5】（改編）野生型擬南芥的種皮為深褐色（TT），某突變體的種皮為黃色（tt），下圖是利用該突變體驗證油菜種皮顏色基因（Tn）功能的流程示意圖。

（1）用同一種________酶處理油菜Tn基因和質粒能夠使兩者具有相同的黏性末端，過程A處理后的基因和質粒形成重組DNA需要的重要酶是________。

（2）培養基中添加________可用于篩選出成功導入了重組DNA的農桿菌。

（3）若轉基因擬南芥的種皮顏色為_______，則說明油菜Tn基因與擬南芥T基因的功能相同。

（4）該圖中將目的基因導入植物受體細胞所用的方法叫______，其優點是__________________________________________________________________________________，該方法通常使用于將目的基因導入_______植物。

（5）Tn基因能夠在油菜和擬南芥細胞中表達，原因是______________。

（6）經檢測，圖示得到的轉基因擬南芥有部分細胞并沒有Tn基因。為了得到所有細胞都含有Tn基因的擬南芥，可以用含重組DNA的農桿菌感染擬南芥的______________。

【解析】（1）基因工程需要用同一種限制酶對目的基因和運載體質粒進行切割，以便使兩者具有相同的黏性末端，將目的基因與質粒結合需要用DNA連接酶將磷酸二酯鍵連接起來。（2）質粒上帶有標記基因抗生素Kan的抗性基因，該基因表達則細菌具有抗抗生素Kan的特性，故可在培養基中加入抗生素Kan篩選成功導入重組質粒的農桿菌。（3）若導入的基因與擬南芥T基因控制的顏色相同，即為深褐色，則證明油菜Tn基因與擬南芥T基因的功能相同。（4）圖中展示的是借助農桿菌介導轉化，因此將目的基因導入植物受體細胞所用的方法叫農桿菌轉化法，該方法利用的是T-DNA作用，其優點是可以攜帶目的基因轉移至受體細胞內并插入受體細胞染色體的DNA中。當雙子葉植物和裸子植物的植物體受傷時，傷口處的細胞會分泌大量的酚類化合物，會吸引農桿菌細胞完成轉化。（5）Tn基因能夠在油菜和擬南芥細胞中表達，因為所有生物都共用一套密碼子。（6）轉基因擬南芥有部分細胞并沒有Tn基因，是因為只有很少一部分擬南芥幼苗的細胞導入成功，要使擬南芥所有細胞都含有Tn基因，受體細胞最好選用分化程度較低的受精卵，也可用卵細胞和體細胞。

【答案】（1）限制（或限制性核酸內切） DNA連接酶（2）抗生素Kan （3）深褐色 （4）農桿菌轉化法 農桿菌中Ti質粒的T-DNA片段可以攜帶目的基因轉移至受體細胞內并插入受體細胞染色體的DNA中 雙子葉植物和裸子植物

（5）所有生物都共用一套密碼子 （6）受精卵（卵細胞、體細胞也可）

總之，擬南芥作為遺傳學研究的模式植物，通過對其植株特點、基因組中基因的分析和遺傳研究挖掘命題切入點，有助于學生深入理解和把握教材內容。

（作者單位：吉林省梨樹縣第一高級中學）