高一生物大单元整体学习：基因和染色体的关系

高一生物大单元整体学习学程第七单元基因和染色体的关系班级：__________小组：__________姓名：__________第七单元基因和染色体的关系——制作减数分裂模型，探究遗传定律本质和应用一、单元概述当孟德尔的遗传规律被重新发现以后，科学家开始寻找基因在细胞中的位置。细胞学研究揭示了精子和卵细胞的形成要经过减数分裂，结果使染色体数目减半，精子和卵细胞经过受精作用结合，受精卵中的染色体数目又恢复到体细胞中的数目。在这个过程中，染色体的行为和基因在亲子代之间的传递具有惊人的一致性，使科学家提出基因位于染色体上的假说，这一假说通过摩尔根的果蝇杂交实验得到了验证。某些基因位于性染色体上，因此其控制的性状的遗传和性别相关联，即伴性遗传。本单元以基因在染色体上的理论为核心。从萨顿的假说到摩尔根的果蝇杂交实验，可以认识到基因是有物质实体的，既深入理解孟德尔遗传定律的实质，又进一步理解遗传的物质性，形成生命的物质观。减数分裂模型的制作，是模型法的训练；基因在染色体上这一理论的建立过程，是假说-演绎法的应用，认同摩尔根等科学家尊重科学事实、敢于质疑他人又勇于否定自我的科学精神。关注伴性遗传规律和相关技术在生活生产实践中的应用，并对其应用的影响作出科学判断。二、单元要素（一）单元内容标准概念3遗传信息控制生物性状，并代代相传3.2有性生殖中基因的分离和重组导致双亲后代的基因组合有多种可能3.2.1阐明减数分裂产生染色体数量减半的精细胞或卵细胞3.2.2说明进行有性生殖的生物体，其遗传信息通过配子传递给子代3.2.4概述性染色体上的基因传递和性别相关联3.3.4阐明进行有性生殖的生物在减数分裂过程中，染色体所发生的自由组合和交叉互换，会导致控制不同性状的基因重组，从而使子代出现变异（二）单元学习任务1.概念建构——减数分裂、同源染色体、四分体、受精作用、伴性遗传；2.研究方法——用模型建构归纳减数分裂特点、用假说-演绎法梳理摩尔根果蝇杂交实验、用遗传系谱图分析伴性遗传规律；3.实践应用——根据双亲的表型对后代的患病概率进行科学预测分析、设计实验判断基因的位置。（三）单元学习目标1.按照假说-演绎逻辑探寻基因和染色体关系的发现历程，从基因和染色体的关系、遗传规律的实质和应用构建单元思维导图，用自己的话阐述遗传的物质性。2.通过构建减数分裂模型和分析摩尔根果蝇杂交实验，用自己的话说出孟德尔遗传定律的实质，并在遗传图解上标注，结合实例归纳伴性遗传的规律。3.结合实例，通过遗传图解分析和设计实验探究基因在染色体上的位置，形成通过动植物实验进行基因定位的思维模型。（四）单元学习计划学习阶段学习内容学时安排整体感知研读教材，分析知识之间的逻辑关系，以科学史发展脉络初步概括基因和染色体的逻辑关系，从分子和细胞水平上理解生命延续的意义。2探究建构构建减数分裂的物理模型，探究基因和染色体的关系，模拟摩尔根果蝇杂交实验，分析伴性遗传的规律，为抗维生素D佝偻病家庭优生提供合理化建议。4应用迁移分析遗传系谱图，判断遗传方式，并预测后代患病概率。利用果蝇为材料，设计实验探究基因在染色体上的位置，总结归纳通过动植物实验进行基因定位的规律方法。2重构拓展重构单元思维导图，结合实例解释植物花色性状的遗传问题，用自己的话说出连锁遗传的分析。2（五）单元学习资源学习阶段资源类别（课件微课素材习题教案）资源分层（ABCT）整体感知1.精子的形成视频2.卵细胞形成过程图片3.伴性遗传实例视频TTT探究建构1.果蝇拓展资源2.摩尔根的杂交实验资料3.生物的性别决定方式拓展资源TTA应用迁移1.人类遗传病基因的遗传方式及特点拓展资源2.现代基因定位技术TT重构拓展1.摩尔根连锁和互换实验资料T（六）单元学习目标追求三、单元内容（一）整体感知基因和染色体的关系——梳理构建基因和染色体的关系关于“基因的位置”的探索历程当孟德尔的遗传规律被重新发现以后，有一个问题始终没有解决：基因在细胞中究竟有没有物质基础呢？孟德尔所假设的颗粒状的因子，究竟是不是物质的实体？如果是，又存在于细胞中什么位置？科学家进行了持续的探索。19世纪末期，德国动物学家魏斯曼预测了减数分裂的过程，并被后人证实。1903年美国科学家萨顿发现蝗虫减数分裂的过程中，染色体的行为与基因在亲子代间的传递行为具有惊人的相似性。遗传学和细胞学的这次“相遇”使萨顿提出基因在染色体上的假说。1910年美国生物学家摩尔根利用果蝇杂交实验证实了这一假说。至此，科学家确定了基因在细胞中的位置。那么，减数分裂的过程是如何进行的，它与基因的行为存在哪些相似性？摩尔根又是如何利用假说-演绎法进行果蝇杂交实验的？基因在常染色体上和在性染色体上的遗传特点一样吗？【学习目标】1.通过研读教材和整体感知的情境资料，说出本单元内部和与上个单元之间的逻辑关系。2.结合生活经验，举例说出减数分裂和伴性遗传对我们的生产生活产生哪些影响。3.按照科学史发展历程逻辑，初步构建基因在染色体上单元体系。学习活动1：感知教材，厘清逻辑通过研读教材和整体感知的情境资料，用自己的话说出本单元内部和与上个单元之间的逻辑关系。学习活动2：列举减数分裂和伴性遗传在生活中的应用减数分裂、伴性遗传都是抽象的，请研读教材并结合生活经验，举例说出学习本单元之后可以对我们的生产生活产生哪些影响。学习活动3：初步构建基因和染色体的关系单元思维导图本单元继续按照科学史的顺序，讲述了减数分裂和受精作用等细胞学现象，介绍了从提出基因位于染色体上的假说，到用果蝇杂交实验予以验证的过程，阐明了孟德尔遗传规律的细胞学基础，展示了科学家严谨的科学探究历程。让我们重温科学家探索之路，初步构建基因和染色体的关系的单元思维导图。（二）探究建构基因和染色体的关系——分析孟德尔遗传定律的细胞学基础摩尔根和果蝇在当时历史背景下，人们对孟德尔遗传规律的认识还是存在争议的，这其中也包括摩尔根。1909年，摩尔根在进行果蝇杂交实验的过程中，还发表文章抨击孟德尔的方法。摩尔根认为孟德尔的假说不过是“结果被很好地解释了，因为发明了解释来解释它们”，并称之为“高级杂耍”。其次，摩尔根反对染色体遗传学说，对于遗传单位是否存在，以及在何处存储也不感兴趣。直到1911年，摩尔根才在《科学》上发表论文声明果蝇的突变符合孟德尔的理论，变成了孟德尔学说的坚定支持者。他说：“凡是密切观察这些新类型发展史的人，都会对以下事实留下一个深刻的印象：性状确实会‘分离’，而且在多数情况下无中间类型发生”。果蝇图片摩尔根的研究成果很大程度上要归功于白眼雄性果蝇的获得，果蝇有许多易于区分的相对性状，如红眼和白眼，长翅和残翅，黑身和灰身等，作为经典遗传学的"主角"，科学家不仅用果蝇证实了孟德尔的两大定律，而且发现了果蝇白眼性状的表现总是与性别相关联，提出了基因在染色体上呈线性排列以及连锁互换定律。摩尔根在1933年因此被授予诺贝尔奖。那果蝇是如何产生配子且保证亲子代染色体数目恒定的呢？摩尔根如何利用果蝇得出了基因在染色体上的实验结论的呢？果蝇的红眼和白眼基因位于X染色体上，它们的遗传又具有哪些特点呢？果蝇图片【学习目标】1.构建减数分裂过程模型，说出各时期染色体行为变化的特点，从减数分裂和受精作用的角度解释遗传的稳定性和多样性。2.运用假说-演绎法分析摩尔根的果蝇杂交实验，通过绘制细胞减数分裂图并标注基因，解释孟德尔遗传规律的实质。3.结合实例归纳总结伴性遗传的规律，为抗维生素D佝偻病家庭优生提出合理化建议。学习活动4：构建减数分裂模型——探寻基因和染色体的细胞学基础雄果蝇体细胞与雄配子的染色体图如图为雄果蝇体细胞和雄配子中染色体的数目示意图，配子的染色体与体细胞的染色体有什么差别？亲代果蝇是如何形成配子的呢？雄果蝇体细胞与雄配子的染色体图1.请借助教材和271BAY中视频资源研究精子和卵细胞的形成过程，用卡纸或橡皮泥等构建配子形成过程中染色体数目和行为的变化的模型，分析归纳出减数分裂各时期的特点。2.如图为某有性生殖的生物（2N=4）的精子形成过程，请补充完整，并标明各分裂时期及细胞名称，说明精子与卵细胞形成过程的不同点。3.在同一坐标系中画出某有性生殖的生物（2N=4）精子形成过程中，一个细胞内染色体、核DNA的数量变化曲线，分析转折点形成的原因。阐明减数分裂的意义。4.利用构建的“减数分裂中染色体行为变化”的模型，分析非同源染色体自由组合的产生的精子类型、姐妹染色体发生互换后的精子类型，总结配子多样性的原因。并从配子形成和受精作用两个方面，分别对遗传的稳定性和多样性的原因进行综合概括。学习活动5：基因位于染色体上的实验证据孟德尔假说中的遗传因子，后人称之为基因，基因在细胞中的位置困扰了科学家们很长时间。1903年萨顿用蝗虫细胞作材料，在研究精子和卵细胞的形成过程中，发现等位基因的分离，与减数分裂中同源染色体的分离非常相似，因此提出了基因在染色体上的假说。之后，摩尔根利用果蝇杂交实验验证了这一假说。1.摩尔根将纯合红眼雌果蝇和白眼雄果蝇杂交，发现了问题并提出假说。请写出假说的内容并用遗传图解表示摩尔根果蝇杂交实验产生F2的过程。2.请设计实验，验证摩尔根的假说，并绘制出遗传图解。3.根据基因与染色体的关系，以含有两对同源染色体的细胞为例，将下列减数分裂的过程补充完整，并在染色体上标注基因符号（A、a，B、b分别位于两对同源染色体上）。据图解释孟德尔分离定律和自由组合定律的实质。或学习活动6：探究伴性遗传的遗传规律和应用摩尔根的果蝇杂交实验不仅验证了基因位于染色体上，而且把一个特定的基因和一条特定的染色体——X染色体联系起来，揭示了果蝇的伴性遗传。那么，人类的哪些遗传表现与性别相关联？这些伴性遗传分别有什么特点？1.写出女性携带者与男性红绿色盲、女性红绿色盲与正常男性婚配的遗传图解，总结伴X隐性遗传的特点。2.抗维生素D佝偻病是一种伴X显性遗传病，患者中女性多于男性，但部分女性患者病症较轻；男性患者与正常女性婚配的后代中，女性都是患者，男性正常。某家庭母亲正常，父亲为抗维生素D佝偻病患者。请用遗传图解的形式表示该家庭后代的基因型、表型及比例，分析子代的患病概率，总结伴X染色体显性遗传的特点。为了避免生出患抗维生素D佝偻病的孩子，请提出相应的建议（相关基因用D、d表示）。3.鸡的性别决定方式与人类、果蝇不同。雌性个体的两条性染色体是异型的（ZW），雄性个体的两条性染色体是同型的（ZZ）。芦花鸡羽毛上有黑白相间的横斑条纹，这是由位于Z染色体上的显性基因B决定的，当他的等位基因b纯合时，鸡表现为非芦花，羽毛上没有横斑条纹。如果你是养鸡场的农场主，你将怎样选择亲本鸡进行杂交，使后代在雏鸡时就能通过羽毛颜色直接分辨雌雄，以便选出雌鸡。（三）应用迁移基因和染色体的关系——探究基因定位的方法和应用基因定位在育种和遗传病诊断中的应用全球气候变暖，年均温度升高，会使得粮食作物减产。植物在与高温的长期对抗中，进化出了不同的应对机制，以提高热胁迫下的生存能力。2022年中科院分子植物科学卓越创新中心院士林鸿宣研究组成功定位并分离克隆了水稻抗热新基因，使得实验品种水稻在热胁迫下的生存能力提高。相关研究在国际著名学术期刊《自然-植物》上发表。继在2015年成功定位水稻首例抗热数量性状位点TT1后，林鸿宣研究组又在近期分离克隆了TT2位点。研究人员成功将该位点导入“华粳籼74”品种，培育出携带抗热性位点的新抗热品系，相比于亲本，其在苗期的成活率提高了8至10倍，成熟期的单株产量也显著提高，增幅达54.7%。《自然-植物》杂志同期在线发表评论文章，对该成果进行了评论与展望，称其是“抗热研究领域的一大重要进展”，并指出所发现的基因“为植物育种和基因编辑提供了令人兴奋的潜在靶标，有助于人们应对在快速变暖的地球上出现的粮食安全问题”基因定位和基因图对遗传学、医学和人类及生物进化的研究也都有十分重要的意义。它可提供遗传病和其他疾病的诊断的遗传信息，可以指导对这些疾病的致病基因的克隆和对病症病因的分析与认识。【学习目标】1.依据伴性遗传的特点，通过遗传系谱图分析人类遗传病的遗传方式，预测后代患病概率。2.以果蝇为实验材料，设计实验探究基因在染色体上的位置，总结归纳通过动植物实验进行基因定位的规律方法。3.搜集资料，结合实例列举基因定位的其他方法，分析定位的原理。学习活动7：遗传系谱图中遗传方式的判断1.人类遗传病分为常染色体遗传病和伴性遗传，某同学利用假期对甲、乙、丙、丁四个患各种遗传病的家族进行调查并制作了以下的遗传系谱图，但是他不能区分它们的遗传方式，请分别写出他们的遗传方式。2.某家属中有的成员患甲种遗传病（设显性基因为B，隐性基因为b），有的成员患乙种遗传病（设显性基因为A，隐性基因为a），见系谱图。现已查明Ⅱ-6不携带致病基因。（1）甲、乙两种遗传病种遗传病的致病基因分别位于哪种染色体上？（2分）（2）家族中Ⅲ-8、Ⅲ-9的基因型是什么？（4分）（3）若Ⅲ-8和Ⅲ-9婚配，子女中只患甲或乙一种遗传病的概率是多少？（2分）同时患两种遗传病的概率是多少？（2分）学习活动8：设计实验判断基因的位置1.果蝇的灰身(B)对黑身(b)为显性，为了确定这对等位基因位于常染色体上还是X染色体上，某研究小组让一只灰身雄性果蝇与一只灰身雌性果蝇杂交，然后统计子一代果蝇的表现型及数量比，结果为灰身:黑身=3:1。根据这一实验数据，还不能确定B和b是位于常染色体上还是X染色体上，需要对后代进行更详细的统计分析。请写出你的判断方法及依据。（6分）2.已知果蝇的正常肢和短肢是一对相对性状（正常肢D、短肢d），且雌雄果蝇均有正常肢和短肢类型。现有若干纯种正常肢和短肢的雌雄果蝇，（1）若用一次交配实验即可探究这对基因位于常染色体还是X性染色体上，请选择合适的亲本进行实验，并预期实验结果及相应结论。（6分）（2）若可进行两次或多次杂交实验，还可如何设计实验探究该对基因的位置？（6分）3.科学家在研究黑腹果蝇时发现，刚毛基因(B)对截毛基因(b)为显性。现有各种纯种果蝇若干，请利用一次杂交实验来推断这对等位基因是位于X、Y染色体上的同源区段还是仅位于X染色体上。（1）黑腹果蝇中与刚毛和截毛对应的基因型可能有几种情况？请分别写出来。（8分）（2）应该选择哪种表现型的亲本来进行实验设计？请你预期实验结果及相应结论。（6分）（四）重构拓展基因和染色体的关系——重构体系，解释实际生活中的遗传问题摩尔根与连锁互换定律的发现摩尔根用白眼的雄果蝇和红眼的雌果蝇进行的杂交实验，发现了基因在染色体上并证明了基因在染色体上呈线性排列，然后摩尔根又继续做了大量实验，发现了基因的连锁互换定律，人们称之为遗传学第三定律。摩尔根等人用纯种灰身长翅果蝇与纯种黑身残翅果蝇交配，F1都是灰身长翅，可以推出，果蝇的灰身(B)对黑身(b)是显性；长翅(V)对残翅(v)是显性。所以，纯种灰身长翅果蝇的基因型与纯种黑身残翅果蝇的基因型应该分别是(BBVV)和(bbvv)。F1的基因型应该是(BbVv)(如图)。摩尔根又让F1的雄果蝇(BbVv)与双隐性类型的雌果蝇(bbvv)测交，按照自由组合定律，测交后代中应该出现4种不同的类型，即灰身长翅、灰身残翅、黑身长翅、黑身残翅，并且它们之间的数量比应该为1：1：1：1。但是，测交的结果与原来预测的完全不同，只出现两种和亲本完全相同的类型：灰身长翅(BbVv)和黑身残翅(bbvv)，并且两者的数量各占50%。很明显，这个测交的结果是无法用基因的自由组合定律来解释的。为什么会出现上述试验结果呢？摩尔根认为果蝇的灰身基因和长翅基因位于同条染色体上(如图)；黑身基因和残翅基因也位于同一条染色体上。所以，当两种纯种的亲代果蝇交配后，F1的基因型BbVv，应该表示为，表现型是灰身长翅。这样，在F1雄果蝇产生配子时，原来位于同一条染色体上的两个基因(B和V、b和v)就不能分离，而是连在一起向后代传递。因此，当F1雄果蝇与黑身残翅的雌果蝇交配后，只能产生灰身长翅和黑身残翅两种类型，并且这两者的数量各占50%。像这样，位于一对同源染色体上的两对(或两对以上)等位基因，在向下一代传递时，同一条染色体上的不同基因连在一起不相分离的现象，叫做连锁。【学习目标】