用类比“电路开关”思维巧解一类生物遗传题
2022-06-08
1 问题提出
笔者所在学校期中考试试题：某植物花色由三对独立遗传的基因共同决定，花中相关色素的合成途径如图1所示，请回答如下问题：
若该植株自花传粉或异花传粉皆可，则理论上紫花植株的基因型有 种。
2 问题研究
人教版生物教科收《必修2·遗传与进化》中，以孟德尔豌豆杂交试验为例详细阐述了遗传学两大定律（基因分离定律和基因自由组合定律）。但孟德尔杂交试验中的豌豆性状（如高颈和矮颈、圆粒和皱粒、黄粒和绿粒）都是由一对等位基因控制的，像这样由单个基因控制一种性状的遗传方式叫单基因遗传。本题中某植物由3对独立遗传的基因，来共同控制花的颜色性状，像这样由多个基因控制同一种性状的遗传方式叫多基因遗传。而多基因遗传比单基因遗传复杂，试题难度较大。分析本题可知：
（1） 花色性状为白色、红色、紫色三种表现型。
（2） 白色前物质在酶1作用下转变成红色，控制酶1为基因a，推测基因A表达则白色不能转变成红色。
（3） 红色在酶2作用下转变成紫色，控制酶2为基因B，推测基因b表达则红色不能转变成紫色。
（4） 白色前物质在酶3作用下直接转变成紫色，控制酶3为基因C，推测基因c表达则白色不能直接转变成紫色。
（5） 紫色有两条控制途径：①为酶1（基因a）和酶2（基因B）必须同时表达，基因C可不表达;②为酶3（基因C）表达，酶1（基因a）和酶2（基因B）可不表达。仔细观察图1，若把白色、红色、紫色假想成物理电路中发出不同颜色的“灯泡”，酶的合成与否类比为物理学中“电路开关”，画出“电路图”如图2所示，则题意可以理解为表1所示：
由于每个开关只有开启、闭合两种方式，推出整个“电路图”中3个“开关”以不同的组合方式控制白色、红色、紫色三种表现型，则“开关”组合方式共有2×2×2=8种。每个开关对应的基因型各有3种（开关①开启——基因型AA、Aa，开关①闭合——基因型aa;开关②开启——基因型bb，开关②闭合——基因型BB、Bb;开关③开启——基因型cc，开关③闭合——基因型CC、Cc），推出整个“电路图”中3个“开关”不同组合方式对应的基因型种类总共有3×3×3=27种。列表得出8种组合方式，对应的27种基因型及其表现型见表2（表中“开启”简称为“开”，“闭合”简称为“闭”）。
综上分析可知，该植物通过三对等位基因独立控制三种不同酶的合成来控制花的颜色，白色花基因型有6种，红色花基因型有1种，紫色花基因型有20种。
3 问题讨论
此题的得分率不到10%，说明大多数学生未能掌握此类多基因遗传题的解题方法。究其可能原因：① 多基因遗传问题确实复杂，学生学习难度很大;② 教材要求学生熟练掌握遗传学第一、第二定律基本内容及其应用，即教材对单基因遗传有较详细的阐述，但对多基因遗传问题阐述不足，只能依靠教师上课进行拓展，可能教师拓展教学不够;③ 学生做题思维并不够开阔或思维定势以及没有认真审题，所以碰到此类题型不知从何下手。
综上所述，对于此类多基因独立遗传并控制同一性状的遗传题，解题基本思路：首先，拆分成单基因并分析每一个基因的遗传规律，如本题中基因A（A_）不表达，基因a表达（aa）能合成酶1，则白色前体物质转化成红色;基因a（aa）不表达，基因A（A_）表达，不能合成酶1，则白色前物质不能转化成红色。同理，分析基因B/b、基因C/c。其次，由于三对等位基因都是控制花的颜色这一种性状，因此须考虑三对等位基因的组合方式、各组合的所有基因型种类及其对应的表现型。对此问题，若能积极转换思维、运用知识迁移能力，类比于物理学中的“开关”开启与闭合，变抽象生物现象为具体事物，相信此类问题会变得更简单。多基因遗传问题是高中生物遗传学中的一个难点，也是高考的常考点，通过本文分析，希望可以给同学们一点点启发。
笔者所在学校期中考试试题：某植物花色由三对独立遗传的基因共同决定，花中相关色素的合成途径如图1所示，请回答如下问题：
若该植株自花传粉或异花传粉皆可，则理论上紫花植株的基因型有 种。
2 问题研究
人教版生物教科收《必修2·遗传与进化》中，以孟德尔豌豆杂交试验为例详细阐述了遗传学两大定律（基因分离定律和基因自由组合定律）。但孟德尔杂交试验中的豌豆性状（如高颈和矮颈、圆粒和皱粒、黄粒和绿粒）都是由一对等位基因控制的，像这样由单个基因控制一种性状的遗传方式叫单基因遗传。本题中某植物由3对独立遗传的基因，来共同控制花的颜色性状，像这样由多个基因控制同一种性状的遗传方式叫多基因遗传。而多基因遗传比单基因遗传复杂，试题难度较大。分析本题可知：
（1） 花色性状为白色、红色、紫色三种表现型。
（2） 白色前物质在酶1作用下转变成红色，控制酶1为基因a，推测基因A表达则白色不能转变成红色。
（3） 红色在酶2作用下转变成紫色，控制酶2为基因B，推测基因b表达则红色不能转变成紫色。
（4） 白色前物质在酶3作用下直接转变成紫色，控制酶3为基因C，推测基因c表达则白色不能直接转变成紫色。
（5） 紫色有两条控制途径：①为酶1（基因a）和酶2（基因B）必须同时表达，基因C可不表达;②为酶3（基因C）表达，酶1（基因a）和酶2（基因B）可不表达。仔细观察图1，若把白色、红色、紫色假想成物理电路中发出不同颜色的“灯泡”，酶的合成与否类比为物理学中“电路开关”，画出“电路图”如图2所示，则题意可以理解为表1所示：
由于每个开关只有开启、闭合两种方式，推出整个“电路图”中3个“开关”以不同的组合方式控制白色、红色、紫色三种表现型，则“开关”组合方式共有2×2×2=8种。每个开关对应的基因型各有3种（开关①开启——基因型AA、Aa，开关①闭合——基因型aa;开关②开启——基因型bb，开关②闭合——基因型BB、Bb;开关③开启——基因型cc，开关③闭合——基因型CC、Cc），推出整个“电路图”中3个“开关”不同组合方式对应的基因型种类总共有3×3×3=27种。列表得出8种组合方式，对应的27种基因型及其表现型见表2（表中“开启”简称为“开”，“闭合”简称为“闭”）。
综上分析可知，该植物通过三对等位基因独立控制三种不同酶的合成来控制花的颜色，白色花基因型有6种，红色花基因型有1种，紫色花基因型有20种。
3 问题讨论
此题的得分率不到10%，说明大多数学生未能掌握此类多基因遗传题的解题方法。究其可能原因：① 多基因遗传问题确实复杂，学生学习难度很大;② 教材要求学生熟练掌握遗传学第一、第二定律基本内容及其应用，即教材对单基因遗传有较详细的阐述，但对多基因遗传问题阐述不足，只能依靠教师上课进行拓展，可能教师拓展教学不够;③ 学生做题思维并不够开阔或思维定势以及没有认真审题，所以碰到此类题型不知从何下手。
综上所述，对于此类多基因独立遗传并控制同一性状的遗传题，解题基本思路：首先，拆分成单基因并分析每一个基因的遗传规律，如本题中基因A（A_）不表达，基因a表达（aa）能合成酶1，则白色前体物质转化成红色;基因a（aa）不表达，基因A（A_）表达，不能合成酶1，则白色前物质不能转化成红色。同理，分析基因B/b、基因C/c。其次，由于三对等位基因都是控制花的颜色这一种性状，因此须考虑三对等位基因的组合方式、各组合的所有基因型种类及其对应的表现型。对此问题，若能积极转换思维、运用知识迁移能力，类比于物理学中的“开关”开启与闭合，变抽象生物现象为具体事物，相信此类问题会变得更简单。多基因遗传问题是高中生物遗传学中的一个难点，也是高考的常考点，通过本文分析，希望可以给同学们一点点启发。