实验六　玉米籽粒性状的遗传分析

【实验目的】

（1）掌握玉米籽粒性状分析的方法，理解并验证孟德尔分离、自由组合定律。

（2）通过玉米籽粒果皮色泽、糊粉层颜色及胚乳性状杂交实验，了解玉米籽粒性状基因互作的现象。

（3）学会记录杂交结果和掌握数据统计处理方法。

【实验原理】

玉米（Zea mays）是遗传学研究的模式植物，它具有的优点为：遗传变异类型丰富；易于自交、杂交，且繁殖系数高，后代群体数量多；染色体数目较少（2n=20），染色体大，便于观察减数分裂中的染色体行为特征和染色体的结构变异。同时，玉米的果穗籽粒性状变异丰富，便于观察和统计分析，是性状遗传分析的理想材料（图6-1）。

玉米籽粒由果皮、胚乳和胚三部分组成（图6-2）。其中果皮与种皮紧密结合不易分开，果皮由子房壁发育而成，种皮由珠被（胚囊壁）发育而成，二者均属于母本的体细胞组织，其性状由母本的基因型决定。胚和胚乳是双受精发育的结果，胚由受精卵发育而来，属于二倍体（2n）。胚乳由1个精核与2个极核结合发育而来，是三倍体（3n），胚乳包括糊粉层和淀粉层。研究表明，控制玉米籽粒各性状的基因具有以下的遗传表现。

（1）果皮颜色性状有红色、花斑（红色背景上出现白色条纹）、棕色和无色。在基本色素基因AI存在时，果皮颜色一般是由第1染色体上的等位基因（P，p），以及第9染色体上的等位基因（Bp，bp）两对基因互作的结果。各基因型与表型的关系如下：P_Bp_为红色；P_bpbp为棕色；Pv_Bp_为花斑（Pv为P基因座上的另一等位基因）；ppBp_和ppbpbp均为无色。

（2）玉米乳胚性状有非甜（Su）与甜（su）、非糯（Wx）与糯性（wx）、饱满（Sh）与凹陷（sh）等性状，且为完全显性。其中普通甜玉米基因有su1和su2，分别位于第4染色体和第6染色体上；Wx和Sh基因均位于第9染色体上。隐性基因su对wx基因有隐性上位作用，基因型与表型的关系如下：Su_Wx_为非甜、非糯；Su_wxwx为非甜、糯性；susuWx_和susuwxwx为甜、非糯。

（3）淀粉层颜色有黄色（Y）和白色（y）两种类型，位于第6染色体上，Y对y为完全显性。

（4）糊粉层（即蛋白质层）颜色性状有紫色、红色和无色。它主要由7对基因控制，分别如下。花青素基因：A1，a1（位于第3染色体）；A2，a2（位于第5染色体）；A3，a3（位于第10染色体）。糊粉粒颜色基因：C，c（位于第9染色体）；R，r（位于第10染色体）；Pr，pr（位于第5染色体）。色素抑制基因I，i。只有当显性基因A1、A2、A3、C、R同时存在，而抑制基因为隐性纯合ii时，色素才能形成。而色素形成的类别是由Pr、pr决定的，当显性基因Pr存在时，呈现为紫色；当隐性基因纯合prpr存在时则表现为红色。当显性基因A1、A2、A3、C、R中缺少任何一个显性基因，或当显性抑制基因I存在时，均表现为无色。

由于控制玉米籽粒、果皮和糊粉层颜色，以及胚乳性状的基因分别位于非同源染色体上，故这些性状的遗传表现为自由组合和基因互作现象。控制玉米籽粒性状的各对基因间表现出下列互作类型。

①互补作用。玉米籽粒糊粉层色素的产生由7对基因A1/a1、A2/a2、A3/a3、C/c、R/r、Pr/pr、I/i相互作用控制。前5对是决定色素是否形成的基因，基因间表现为互补作用，即只有在显性基因A1、A2、A3、C、R同时存在时，色素才能形成；若A、C、R中缺少任何一个色素显性基因时，籽粒均为无色。将籽粒无色、基因型为AACCrr和AAccRR的两亲本杂交，产生F1的基因型为AACcRr，籽粒表现有色。让F1植株自交产生果穗，观察果穗上F2籽粒的分离现象，按有色和无色两种表型记数，其F2籽粒色的分离比例为9有色（9AAC_R_）∶7无色（3AAC_rr+3AAccR_+1AAccrr）。

②抑制作用。在籽粒糊粉层色素形成过程中，显性基因I对色素基因A、C、R均表现为抑制作用。将有色籽粒（CCii）与无色籽粒（ccII）杂交，这两个亲本在A1、A2、A3和R各对基因上均为显性纯合。种植F1种子后得到F1植株上的自交果穗。由于抑制基因I能抑制所有色素基因的表达，故F1自交果穗上籽粒的性状表现为13无色（9C_I_+3ccI_+1ccii）∶3有色（3C_ii）。

③隐性上位作用。玉米籽粒的色素类型由一对基因Pr/pr决定，显性基因Pr存在时呈现紫色，隐性基因prpr存在时表现红色。但A/a、C/c、R/r各对基因对Pr/pr这对基因表现为隐性上位作用。将玉米籽粒糊粉层颜色为紫色的亲本（CCPrPr）与无色的亲本（ccprpr）杂交，得到F1自交果穗。由于cc隐性纯合基因对Pr具有隐性上位作用，故F1（CcPrpr）自交果穗上籽粒的糊粉层颜色的分离比例为9紫色（9C_Pr_）∶3红色（3C_prpr）∶4无色（3ccPr_+1ccprpr）。

玉米乳胚有非甜（Su）与甜（su）、非糯（Wx）与糯性（wx）性状，均表现为完全显性。但隐性基因su对wx糯性基因有隐性上位作用。将甜玉米（susuWxWx）与糯玉米（SuSuwxwx）杂交，得到F1自交果穗。由于susu隐性纯合基因对wx具有隐性上位作用，故F1（SusuWxwx）自交果穗上籽粒的糊粉层颜色的分离比例为9正常（9Su_Wx_）∶3糯质（3Su_wxwx）∶4甜质（3susuWx_+1susuwxwx）。

【实验用品】

1.实验材料

玉米（Zea mays）各种性状的杂种F1自交与测交的果穗标本，以及用于观察基因互作的不同杂交组合的果穗标本。

2.实验器具

计数器、计算器、解剖针、镊子、烧杯等。

【实验步骤】

1.玉米籽粒胚乳（甜×非甜）杂种F1自交与测交性状的分离

玉米籽粒胚乳的甜、非甜由一对等位基因Su/su控制，非甜籽粒（Su_）粒型较饱满、光滑，甜粒则整粒呈皱缩状。取F1自交、测交两种果穗标本，观察非甜粒和甜粒的特征，并按籽粒外形分别计算果穗上的非甜粒数和甜粒数。将以上观察统计结果填入表6-1，并进行χ2检验。

2.玉米两对相对性状的遗传分析

取玉米籽粒有色、非甜×无色、甜的杂交组合产生的F1植株上的自交果穗，观察果穗上籽粒的表现型，按照有色、甜，无色、甜，无色、非甜和有色、非甜四种类型进行计数。

取玉米籽粒有色、非甜×无色、甜的杂交组合产生的F1植株与无色、甜双隐性亲本进行测交所得的果穗，观察各籽粒性状，按照上述方法进行统计。

以上观察统计结果填入表6-2，并进行χ2检验。

3.玉米基因互作观察与分析

取基因型AACCrr（无色）和AAccRR（无色）的玉米亲本杂交所产生的F1植株上的自交果穗，观察果穗上籽粒的表现型，按照有色、无色类型进行计数。观察玉米基因显性互补作用的结果并进行分析。

取基因型CCii（有色）和ccII（无色）的玉米亲本杂交所产生的F1植株上的自交果穗，观察果穗上籽粒的表现型，按照有色、无色类型进行计数。观察玉米基因抑制作用的结果并进行分析。

取基因型CCPrPr（紫色）和ccprpr（无色）的亲本杂交所产生的F1植株上的自交果穗，观察果穗上籽粒的表现型，按照紫色、红色和无色分类记数。观察玉米隐性基因上位作用的结果并进行分析。

将以上观察统计结果填入表6-3，并进行χ2检验。

4.实验结果分析

根据各实验材料自交、测交结果进行χ2检验，分析所观察的性状是否符合分离定律、自由组合定律和相应的基因互作类型的理论比例。

为了验证是否符合以上规律，要对所观察的资料进行检验。常用的统计检验方法是适合性χ2检验。在适合性检验（χ2检验）中，若所计算的χ2<（查附录8），表明实验观察数与预期数之间无显著性差异，说明实验观察数符合理论假设；若所得的χ2>（查附录8），说明实验观察数与预期数差异显著，不符合理论假设。

【要点及注意事项】

（1）每个实验组合至少要考察计算2个以上的果穗。

（2）每组中，每个果穗只能被考察计数1次。

【作业及思考题】

（1）为什么要进行χ2检验？χ2检验适用于哪些统计分析？

（2）如果出现不符合孟德尔定律的现象，可能的解释是什么？

（3）如果将玉米籽粒亲本进行正交和反交实验，实验结果是否会有差异？

【参考文献】

[1] 赵凤娟，姚志刚.遗传学实验[M].第2版.北京：化学工业出版社，2016.

[2] 卢龙斗，常重杰.遗传学实验技术[M].北京：科学出版社，2007.

[3] 杨大翔.遗传学实验[M].第3版.北京：科学出版社，2016.

[4] 李雅轩，赵昕.遗传学综合实验[M].北京：科学出版社，2005.

（唐文武　吴秀兰）