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孟德尔单因子杂交实验 指南

生物初级阅读时间: 3 分钟

概述

为什么一对棕眼睛的夫妇会生出一个蓝眼睛的孩子？为什么高茎豌豆的后代里会出现矮茎？19 世纪中叶，孟德尔通过栽培豌豆揭开了遗传学的神秘面纱。本实验模拟了单因子杂交实验，带你理解性状是如何分离的，以及随机性背后的统计规律。

背景知识

1865 年，奥地利修道士格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）发表了他对豌豆杂交实验的研究结果。在那个甚至还没发现染色体和 DNA 的时代，他通过严谨的数学分析，推导出了生物性状遗传的基本规律。他发现，生物的性状是由成对的「遗传因子」决定的，这些因子在产生配子时会发生分离。这一发现被后人称为孟德尔第一定律，即「分离定律」，它标志着现代遗传学的诞生。

核心概念

等位基因 (Allele)

位于一对同源染色体相同位置上，控制相对性状的基因。常用 AA（显性）和 aa（隐性）表示。

基因型 (Genotype)

生物体个体的基因组合。如纯合子（AAAA、aaaa）和杂合子（AaAa）。

表型 (Phenotype)

生物体表现出来的性状。在完全显性下，AAAA 和 AaAa 表现相同的显性表型。

分离定律 (Law of Segregation)

在形成配子时，成对的等位基因彼此分离，分别进入不同的配子中。每个配子只含有其中一个基因。

公式与推导

杂合子自交后代比例 (Aa×AaAa \times Aa)

基因型=1AA:2Aa:1aa,表型=3 显性:1 隐性\text{基因型} = 1AA : 2Aa : 1aa, \quad \text{表型} = 3 \text{ 显性} : 1 \text{ 隐性}
这是孟德尔实验中最经典的比例关系。显性性状与隐性性状的数量比接近 3:13:1。

实验步骤

  1. 1

    设置亲本

    在控制面板中选择父本和母本的基因型。尝试设置为经典的「Aa×AaAa \times Aa」模型。
  2. 2

    观察配子分离

    查看中间的图示，观察亲本产生 AA 和 aa 配子的过程。两种配子出现的概率分别是多少？
  3. 3

    构建 Punnett 方格

    方格展示了配子随机结合的所有可能结果（2×2=42 \times 2 = 4 种组合）。每种组合出现的概率是多少？
  4. 4

    大规模模拟

    设置子代数量 N=100N=100，点击「运行模拟」。观察实际产生的显性与隐性表型比例，它精确等于理论预期吗？尝试将 NN 增加到 20002000，比例变化趋势如何？（提示：样本量越大，规律越____）

学习目标

  • 掌握等位基因、基因型和表型的基本定义
  • 深刻理解孟德尔分离定律的力学机制（配子分离与随机结合）
  • 能够运用 Punnett 方格预测杂交后代的基因型和表型分布
  • 认识到生物遗传中的随机性与大数定律的关系

生活应用

  • 遗传咨询：通过调查家族史，预测后代患某些隐性遗传病（如白化病）的风险。
  • 动植物育种：通过杂交选育，将分散在不同品种中的优良性状（如抗病、高产）集中到同一品种中。
  • 医学诊断：根据家系图推断个体的基因携带情况，辅助精准医疗。
  • DNA 亲子鉴定：法医学和个人基因检测服务利用孟德尔遗传原理，通过比对等位基因判断亲缘关系。
  • 基因编辑（CRISPR）：现代基因编辑技术以孟德尔遗传规律为理论基础，精准修改特定基因。

常见误区

误区
显性性状在群体中一定占多数
正解
错误。显性仅仅是指该基因能掩盖隐性基因的表达。一个性状在群体中的多寡取决于自然选择和等位基因频率，而非显隐性本身。例如，多指症是显性遗传，但在人群中非常罕见。
误区
若后代比例不是精确的 3:13:1，说明实验失败了
正解
错误。遗传本质上是概率事件。样本量越小，随机偏差越大。只有在大样本下（大数定律）才会趋近理论值。

延伸阅读

准备好了吗？

现在你已经了解了基础知识，开始动手实验吧！

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