遗传基因算法

2024-08-21

遗传基因算法（共7篇）

遗传基因算法篇1

摘要：针对客户定制产品设计灵活性差的问题,提出一种基于遗传算法的产品基因重组的设计方法。在产品的重组设计中引入基因工程,利用遗传算法对现有的产品设计方案进行优化,以满足制造业客户定制产品的多样化需求,实现客户定制产品的智能设计。以某机械制造企业的数控机床为例,完成了遗传算法的关键技术:适应度函数、选择算子、交叉算子的设计开发,验证了该方法的可行性和有效性。

关键词：遗传算法,基因重组,智能设计

1 引言

随着经济全球化和产品多样化的发展,客户需求呈现出多样化和个性化的特点。设计一种有效、科学的产品设计方法,既能降低产品的生产成本,又能实现客户定制产品的快速开发,成为智能制造领域研究的热点问题[1]。

客户定制产品的概念最初提出于20世纪50年代,当时的客户定制产品仅针对相同类型的产品,远不能达到设计不同类型产品的需求。随着信息技术的发展和各类新技术的应用,推动了客户定制产品设计的进一步发展[2]。许多学者围绕客户定制产品的设计与优化,进行了大量的研究,常见的客户定制产品快速开发方法主要有产品族设计、适应性设计、模块化设计、变型设计等方法。对产品的功能及设计知识的建模却并不多见。而产品设计的复杂性和相关创意性设计知识难以总结正是复杂产品设计方案的难点所在。

在此背景下智能设计开始逐步应用到产品设计领域,人工智能算法也加入其中来帮助解决产品的智能设计问题,比较常用的有遗传算法,通过模拟进化特性来解决产品方案的设计问题[3]。由于产品基因工程中的重组操作与遗传算法中的选择、交叉与变异运算类似,因此在前人研究的基础上,本文提出一种基于遗传算法的产品基因重组的设计方法。借鉴基因工程思想,利用遗传算法对现有产品基因进行重组,通过对遗传算法的适应度函数、选择算子、交叉算子的设计开发,获得满足用户需求的客户定制产品。

2 产品智能设计框架的研究

2.1 产品智能设计工作流程

产品智能设计分为三个过程,首先获取产品基因,这是整个设计工作的基础。将机械产品设计任务进行分解,对分解后的各个子任务进行参数编码和信息表示构成产品基因,对提取出的产品基因编码存储建立产品基因库;然后通过建立适应度函数、选择、交叉等遗传算法操作对现有产品基因组进行重组操作,以获取新的产品基因组;最后根据用户的输入参数从重组操作得到的产品基因库中搜索到相似匹配的产品设计方案,对所选方案的物理参数进行修改后得出满足客户需求的产品设计方案输出。

2.2 产品基因重组

产品基因重组是产品智能设计的重要环节也是最关键的环节。为了获得满足客户需求的新产品,需要对获取到的产品基因进行重组操作。实现原理是根据客户需求,对产品基因库中的现有基因、基因组进行子基因或子基因组的交叉,以获得新的产品基因库。

2.3 遗传算法

遗传算法来源于生物界的适者生存规律,是一种应用于人工智能领域解决全局优化的随机化搜索算法。遗传算法将要解决的问题模拟成一个生物进化的过程,以具有问题可能潜在解集的一个种群为开端。首先将种群的表现映射成相应的基因。然后依据遗传学的交叉和变异理论产生下一代的解,按照个体的适应度选择更适合问题解的个体,不断迭代,进化N代后最终在整个遗传过程结束后,得到问题解的种群。

遗传算法设计过程包括编码、初始种群的选取、适应度函数的确定、遗传操作(选择、交叉、变异)、设置运行参数和算法终止规则这几个过程。

2.4 基于遗传算法的产品基因重组设计

产品基因工程中的重组操作与遗传算法中的选择、交叉与变异操作功能类似,因此选用遗传算法来对机械产品设计过程中的产品基因重组进行操作,以最大化地满足客户的个性化需求。考虑到产品基因的变异会导致结构上的不兼容,且具体实施时操作难度较大,而实际效果较小,故本文在产品基因重组操作中舍弃了传统遗传算法中的变异算子,保留了选择算子和交叉算子。

(1)选择算子设计

在遗传算法中,用适应度来衡量个体的好坏,选择操作是建立在个体的适应度评价的基础上的,是确定哪些个体被遗传到后代的一种优化算法。在产品基因的重组中,可以利用选择算子找出适应度高的产品基因就可能是最符合客户需求的产品基因,将其转化为产品设计方案提供给客户,或找出多个适应度高的产品基因组,经过交叉重组得到最优产品设计方案提供给客户。

目前有多种选择方法,各有其优缺点。本文根据产品基因组的表达方式,选取了联赛选择法,其原理为:先从当前群体中随机选取两个个体,再以事先定义的概率p选择适应度较高的个体,以概率1-p选择适应度较低的个体。这种选择方法是利用个体适应度的大小进行选取。在选择过程中只比较适应度的大小并无具体的算术运算。

(2)交叉算子设计

交叉来源于生物界的种群间的交配,被用来产生新个体,是遗传算法的核心操作。产品基因组的交叉操作与遗传算法类似,按照一定的交叉原则和概率对两个或两个以上的父代个体的某个基因或某些基因组重组以得到新的子代基因组的过程。为了保证交叉操作后产生的新基因组基本不会发生结构不兼容的问题,交叉算子的确定与前期种群的编码方式应一致。

根据客户需求与现有基因组功能的不同,交叉操作分为单点交叉和两点交叉。在客户需求与现有产品属性相差较大时,使用两点交叉。两个产品基因组交换一个或多个具有相同编码方式的子基因组,以得到功能大幅度改变的新基因组。而在对现有产品基础上进行小规模改变时,使用单点交叉。两个产品基因组交换一个或多个产品基因,以实现结构上的小幅度改变。

交叉操作执行的次数受交叉概率pc的影响,当交叉概率pc设定较大时,遗传算法在区域的搜索能力会变强,但是群体里的优秀基因也可能会随时被破坏。当交叉概率pc取值很小时,遗传算法搜索速度又会变慢。权衡利弊,本文中交叉概率pc的取值范围在0.3~0.8之间。

(3)适应度函数的确定

遗传算法中,用适应度函数值来评价个体对环境的适应程度。适应度高的个体遗传到子代的概率就更大,相反具有较低适应度的个体被遗传的概率也相对更小。客户定制产品的设计过程是一个多目标优化的过程,设计者既要考虑如何设计出令用户满意的产品,又要尽可能降低制造成本。运用适应度函数值来评价产品设计方案。将评价标准作为适应度函数,评估方案的优良。从技术指标和经济指标两个方面,按照客户所选择的设计要求对设计出的产品方案进行整体评价。

3 实例验证

本文在进行机械产品的智能化设计时,在产品基因重组操作中,提出用遗传算法对设计方案进行优化。下面以数控机床为例,说明具体实现方式。

3.1 产品基因重组过程模型

使用遗传算法对产品基因进行智能重组的过程模型,如下图1所示。

3.2 产品基因重组设计过程

前面分析了通过遗传算法进行客户定制产品重组所需的不同操作和适应度函数的建立,下面将给出使用遗传算法对产品基因进行智能重组的设计过程。

(1)适应度函数的确定

将评价标准作为适应度函数,从技术指标和经济指标两个方面对设计方案进行评价。经济指标主要考虑价格要求,技术指标主要从占地面积、功率大小、精确度和功能复杂性这几个方面进行评价。

对技术评价和经济评价两方面采取权重系数法对产品的设计方案进行优化,分别给予不同的权重系数,累加起来形成一个总的适应度作为产品基因组的最终适应度。

定义产品方案集合A,A={a1,a2,a3,...,an},其中设计方案评价参数包括:技术参数ti,ti={ti1,ti2,ti3,...,tin},价格参数vi:

定义技术参数权重为P:P={p1,p2,p3,...,pn},价格参数权重为Q:Q={q,q,q,⋯,q}。

计算产品设计方案的适应度,如下式所示:

代入实际的技术参数和经济参数数值,计算出有效的适应度值。

(2)选择算子的设计

采取联赛选择法,过程如下:

(1)当代种群中随机选取X个个体,比较其适应度大小,将适应度最高的个体进行遗传。

(2)将(1)描述的过程重复Y次,就可以得到Y个个体的种群。

具体执行过程如下:

(3)交叉算子的设计

交叉算子的设计过程如下:

(1)个体基因不同时,将对应位置基因以交叉概率pc进行交换,下一层次的结构随之交换。

(2)个体基因相同时,最高层次基因相同则不做交叉操作,检查两个个体子基因,如果不同,执行(1)操作,否则执行(2)操作。

运用遗传算法实现产品的基因重组,很大程度上简化了人工设计的过程。但是在遗传算法中也很难生成机械产品的部件尺寸的详细信息,后期需要对形成的方案进一步细化。

4 结论

本文针对客户定制产品设计灵活性差的问题,提出一种基于遗传算法的产品基因重组的设计方法。在产品的重组设计中引入基因工程,利用遗传算法对现有的产品设计方案进行优化,以满足制造业客户定制产品的多样化需求,实现客户定制产品的智能设计。以某机械制造企业的数控机床为例,完成了遗传算法的关键技术:适应度函数、选择算子、交叉算子的设计开发,验证了该方法的可行性和有效性。

但是运用遗传算法所设计出的机械产品方案并不详细,仅仅包含大概的设计部件并没有详细参数,后期准备继续研究实例推理,运用实例推理方法细化遗传算法设计出的机械产品方案。

参考文献

[1]张雷,彭宏伟,刘志峰,等.绿色产品概念设计中的知识重用[J].机械工程学报,2013,49(7):72-79.

[2]祁国宁,顾新建,杨青海等.大批量定制原理及关键技术研究[J].计算机集成制造系统,2003,9(9):776-783.

[3]金群,李欣然等.遗传算法参数设置及其在负荷建模中的应用[J].电力自动化设备,2006,26(5):23-27.

[4]承莉莉.复杂机械产品概念设计中实例推理技术的研究与应用[D].南京航空航天大学,2011:1-77.

[5]王猛.基于改进遗传算法的网格资源调度策略算法研究[J].电脑与电信,2010(5):35-37.

遗传基因算法篇2

TSP问题又称为货郎担问题, 要求一个货郎要走遍n个城市, 每个城市经且只能经过一次, 最后回到始发的城市, 这条路径又称为哈密尔顿圈或哈密尔顿回路, 问题要求找到一条最短的路径。其数学描述如下:设城市集合V={v1, v2, … , vn}, 每对城市vi, vj∈V间的距离为d (vi, vj) ∈Z+。求经过V中任一城市正好一次的路径 (vπ (1) , vπ (2) , …, vπ (n) ) 使得

其中 (π (1) , π (2) , …, π (n) ) 是 (1, 2, …, n) 的一个置换。

TSP问题是组合优化问题中典型的NP难问题, 是许多领域内复杂工程优化问题的抽象形式, 具有较为广泛的工程应用和现实生活背景, 如飞机航线的安排、公路网络的建设、网络通信节点的设置、物流货物配送、超市物品上架等, 所有这些实际应用问题均可以转变为TSP问题来解决。因此, 如何有效、快速地解决TSP问题具有很高的实际应用价值。

若穷举搜索全部可能的路径, 一定能够找到最短的那条路径。亦即, 使用穷举法能够找到最优解。但是, TSP问题的搜索空间会随着城市数量n的增加而急剧增加, 所有可能的旅行路径的组合数是 (n-1) !/2。当城市个数达到50 时, 就有1.5207×1064个旅行方案。使用常规的穷举法在如此庞大的搜索空间中寻求最优解, 对于现有的计算机而言, 是不可行的。当城市个数更多时, 更加难以求得最优解, 因此, 寻找最优解变得非常困难。自然而然地, 各种求近似解的优化算法就成了比较现实可行的解决方法。近几十年来, 出现了很多近似算法[1], 如贪婪算法、近邻法、双最小生成树法、最近插入法、最远插入法等等。近年来, 随着人工智能的发展, 许多更为有效的智能启发式算法应用于TSP问题, 高海昌等[2]对用于求解该问题的蚁群算法、遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索、神经网络、粒子群优化算法、免疫算法等进行了描述。随着研究的深入, 许多改进的优化算法不断涌现, 文献[3]提出了一种快速求解旅行商问题的蚁群算法。文献[4]将蚁群算法与免疫算法相结合应用于TSP问题求解。 Marinakis等对基于概率的旅行商问题进行研究, 提出了一种混合多粒子群优化算法[5]。文献[6]的混合遗传算法将局部寻优与广义分割交叉算子结合, 提高了算法的执行效率。文献[7]对传统遗传算法的交叉操作进行研究, 设计了一种顺序构造交叉算子以提高解的质量。为了提高遗传算法解决TSP问题的效率, 文献[8]将贪婪搜索算法引入遗传变异操作中, 设计出新的贪婪子路变异算子。大量研究表明, 融入一些其它信息如近似算法、特殊组合算子、局部搜索技术等, 能够极大地改善进化算法的搜索性能[9,10], 尤其是, 将进化算法与局部搜索相结合的方法, 已经证明是很有效的策略[11,12]。这种融有局部搜索的进化算法被称为文化基因算法[13], 从文献[11-12]可以看出, 文化基因算法具有高效的搜索性能。

为更好地求解TSP问题, 本文提出了一种基于遗传算法的文化基因算法, 将2-opt作为局部搜索算子嵌入到遗传算法中, 以加快遗传算法的收敛速度、提高解的精度。遗传算法具有很好的全局搜索能力, 2-opt针对TSP问题具有较强的局部搜索特点, 所提出的文化基因算法力图在全局和局部搜索中达到平衡和融合, 使之更有效地求解TSP问题。

1 文化基因算法

文化基因算法 (Memetic Algorithm, 简称MA) , 由Moscato在1989年首先提出[13]。 Memetic一词源于道金斯 (Dawkins) 在1976 年所著《自私的基因》 (The Selfish Gene) 中提出的一个概念——Meme。 Meme也译为“拟子”、“觅母”或“文化基因”等[14], 指的是文化领域的一个信息单位, 就如遗传学中的基因单位一样。生物的进化一般指生物通过基因的繁殖、变异, 加上自然选择, 使生物不断适应环境的变化。类似于生物的进化, 文化的进化是通过各种Meme被复制、被模仿稍加改变, 在人与人之间传播、变化。有利于人类的Meme通常能得到不断的传承和发展。但是, 文化进化与生物进化不同的是, 生物基因的变异一般是随机的, 只有个别适应环境的变异能促进生物的发展, 除此以外, 或者大部分的变异对于生物的进化不起作用。而文化进化总是朝着改进的方向进化, 而不是混乱无序或无进展, 如更动听的音乐、科学的发展等等。

Moscato在1989 年首先提出文化基因算法 (MA) 正是受上述文化进化思想的启发。本质上来说, MA就是将基于群体的全局搜索进化方法与局部搜索方法相结合的一种新技术[13]。文献[13]中将局部搜索或优化策略比喻为Meme, 把局部搜索策略与传统的进化优化方法结合起来就形成了MA。 MA开始提出时, 特指的是遗传算法 (GA) 和局部搜索策略的结合, 随着进化优化方法研究的不断发展, 基于群体的其它智能算法如粒子群、蚁群等的MA也相继被提出。

MA比遗传算法 (GA) 、蚁群 (ACO) 、粒子群 (PSO) 等算法有更广的范畴, 代表着一类算法。它是一种基于种群的全局搜索和基于个体的局部启发式搜索的结合体[13], 这样的结合机制使其搜索效率在某些问题领域比传统遗传算法快几个数量级, 可应用于广泛的问题领域并得到满意的结果。很多人将文化基因算法看作混合遗传算法、遗传局部搜索或是拉马克式进化算法, 实际上, 文化基因算法提出的是一种框架、是一个概念, 在这个框架下, 采用不同的搜索策略可以构成不同的文化基因算法, 如全局搜索策略可以采用遗传算法、进化策略、进化规划等, 局部搜索策略可以采用爬山搜索、模拟退火、贪婪算法、禁忌搜索、导引式局部搜索等。目前, 为了求解各种不同类型的优化问题已经有大量的MA被提出。 2005 年文献[15]中作者对MA进行了综述, 用框架的形式描述了文化基因这一类算法。图1 描述了传统的文化基因算法的流程图。

2 求解TSP问题的文化基因算法描述

为更好地求解TSP问题, 本文提出了一种基于遗传算法的文化基因算法, 将2-opt作为局部搜索算子嵌入到遗传算法中, 以加快遗传算法的收敛速度和提高解的质量。遗传算法具有较强的全局搜索能力, 2-opt针对TSP问题具有很好的局部搜索效果, 所提出的文化基因算法试图在全局搜索和局部探索中达到均衡和融合, 使之能更有效率地解决TSP问题。

2.1 2-opt局部搜索

2-opt局部搜索是一种有效的局部搜索技术, 被广泛应用于旅行商 (TSP) 及其它的一些组合优化问题, 而且有研究表明2-opt局部搜索对求解旅行商问题十分有效。 2-opt局部搜索的主要意图是消除回路中所有相交的边, 因为相交的边基本上不是最优的。主要计算过程是, 依次在哈密尔顿回路中选两条不相邻的边, 进行判断, 若这两条边相交, 则将这两条边从路径中移除, 再用另外两条新的边, 把移除边后得到的两条路径重新连接成为新的哈密尔顿圈, 如下图2 形象描述了这一过程。

2-opt的优化过程主要包含两步: (1) 先移除回路中一对相邻点之间的边, 得到两条互不相连的路径, (2) 将其中一条分支路径进行反转, 重新与另一条分支路径连接, 形成新的哈密尔顿圈 (回路) 。反转操作可记为Turn, 对路径V中第i个点到第j个点之间的路径的反转操作记为Turn (V, i, j) 。

假设V= (v1, …, vi, vi+1, … , vj, vj+1, vn, v1) , 则Turn (V, i, j) = (v1, … , vi, vj, vj-1, … , vi+1, vj+1, vn, v1) , 当满足条件d (vi, vi+1) +d (vj, vj+1) >d (vi, vj) +d (vi+1, vj+1) , j≥i+2 时, 才会进行上述反转优化操作, 如图3 所示。

2-opt局部搜索算法的伪代码如下图所示:

2.2 算法主体设计

遗传算法是一种基于自然选择和基因遗传学原理的一种寻求全局最优解而不需要任何初始化信息的高效优化方法。它将问题的解集看作一个种群, 通过不断地选择、交叉、变异等遗传操作, 使解的质量越来越好。该算法具有全局寻优能力、适应性强、解决非线性问题具有较强的鲁棒性、对问题没有特定限制、计算过程简单、易于与其他算法结合等特点, 在函数优化、图像处理、自动控制、经济预测和工程优化等领域得到了广泛的应用, 在求解NP完全问题方面也是一种较为有效的全局方法。

针对TSP问题, 本文提出的文化基因算法, 在算法主体上采用遗传算法进行全局搜索, 在进化的过程中, 采用2-opt技术进行局部调整以加快算法的收敛速度和提高解的精度。算法求解TSP问题的主要计算过程如下:

Step 1: 确定编码机制, 生成初始种群Vi (i=1, … , popsize) , popsize为种群的规模。解决TSP问题通常采用城市序号对路径进行编码, 按照访问城市的顺序排列组成编码。

Step 2: 计算种群中每个个体的适应度值。 TSP求解是要寻找使目标函数最小的个体, 因此选择适应度函数。可以看出, 巡游路径越小, 适应度值越大。

Step 3: 选择算子。算法采用最常用的轮盘赌选择策略, 适应度较高的个体具有较大被选择的机会。计算每个个体被选择的概率为。在轮盘赌选择的基础上, 算法也考虑到了精英个体的保留。在对种群进行轮盘赌选择结束后, 算法会检查新生成的种群中是否包含有父代的精英个体, 若不包含, 则将新生成的子代种群中最差的个体替换为父代的精英个体。

Step 4: 交叉算子。由交叉概率pc选择父体并进行配对, 按照交叉算法的规则生成新个体。算法中采用单点顺序交叉法 (OSPX) 。设两父代个体为V1, V2。随机选择一个交叉点, 定义交叉点后面的元素为拟匹配区域。设V1, V2及交叉点表示为:

采用单点顺序交叉, 首先将V1和V2的拟匹配区域进行复制, 分别加到V2和V1的前面, 可得到

然后分别从复制的匹配区域后依次删除与前面匹配的相同的码, 最后可得到:

Step 5: 变异算子。为了保持种群个体的多样性, 防止陷入局部最优, 本算法采用基本位变异, 以pm的变异概率对每个个体执行变异操作。随机选择个体的两个基因位, 将两个位上的码进行反转操作。设个体及随机选择的两个基因位为, 执行基本位变异操作, 执行完成后个体转换为:V1=[10 1 9 2 8 5 6 7 4 3]。

Step 6: 对新生成的子代个体执行2-opt局部搜索。局部搜索的伪代码如图4 所示。

Step 7: 迭代终止判断. 若满足预定的终止条件 (如达到最大迭代次数) , 则算法停止迭代, 所得的路径认为是满意的路径; 否则, 转Step2, 计算新一代种群中每个个体的适应度值, 将新一代种群替换为当代种群。

3 实验测试

为了测试基于遗传算法的文化基因算法在解决TSP问题方面的表现, 本文从TSP标准问题测试库中提取了10 个测试问题, 将本文提出的算法用于求解这10 个问题, 并将算法的执行结果与当前其它一些优秀的智能算法的运行结果进行了比较。

在测试过程中, 算法采用轮盘赌选择和精英个体保留机制, 单点顺序交叉, 基本位变异, 终止代数为500, 群体大小为200, 交叉概率为0.9, 变异概率为0.09。在Matlab环境下, 算法对每个测试问题独立进行10 次。在相同的终止迭代条件下, 表1 给出了几种算法所求得的最短路径的平均值。以eil51、bier127、rat195、kro B200 为例, 图5 形象展示了算法在这些测试问题上独立运行10 次的结果。

从表1 和图5 可以看出, 相较于遗传算法, 本文提出的基于遗传算法的文化基因算法所求得的路径更短, 可见融入2-opt局部搜索技术对于提高算法的性能是非常有效的。与当前其它一些优秀的算法, 包括模拟退火、粒子群算法、蚁群算法相比, 在这些测试问题上, 基于遗传算法的文化基因算法均表现了较好的性能, 所求得的结果都优于其它算法。如图5 所示, 与其它算法相比, 本文提出的算法还具有较好的稳定性, 鲁棒性较强, 对问题的敏感性较弱, 比较适合解决此类TSP问题。

4 总结

遗传算法在求解TSP问题时往往存在着求解质量不是很高、容易陷入局部最优等一系列问题。为了克服这些缺陷, 本文提出了一种基于遗传算法的文化基因算法。算法在求解过程中, 将2-opt作为局部搜索算子, 嵌入到遗传算法中, 以加快遗传算法的收敛速度和提高局部搜索能力。遗传算法具有全局搜索的能力, 2-opt具有局部搜索的特点, 嵌入2-opt局部搜索的遗传算法力图在全局和局部搜索中达到平衡和融合, 使之更有效地解决TSP问题。

为检测算法的性能, 将该算法在10 个标准TSP测试问题上进行了测试, 并将测试结果与标准的遗传算法及蚁群、粒子群等其它一些优秀的算法的实验结果进行了对比, 数值实验结果表明, 本文提出的算法在求解的质量、稳定性上均表现了较好的性能, 算法的整体表现要优于其它算法。可见融入局部搜索技术的全局搜索算法对于解决TSP问题是一条有效的途径。探索其它更高效的局部搜索算法, 将这些局部搜索技术有效地融合到遗传算法、蚁群算法中, 以更好地解决TSP问题将是作者今后进一步的研究工作。

摘要：为更好地求解旅行商问题, 本文提出了一种基于遗传算法的文化基因算法。将2-opt作为局部搜索算子, 融入到遗传算法中, 以加快遗传算法的收敛速度和提高解的局部搜索能力。遗传算法具有全局搜索的能力, 2-opt具有局部搜索的特点, 嵌入2-opt局部搜索的遗传算法力图在全局和局部搜索中达到平衡和融合, 使之更有效地解决TSP问题。为检测算法的性能, 将该算法用于解决标准的TSP测试问题, 并将测试结果与标准的遗传算法及蚁群、粒子群等其它一些优秀的算法的实验结果做了比较, 数值实验结果证明了算法的有效性。

遗传基因算法篇3

一、动植物转基因的常见方法

1. 动物转基因的常见方法。

动物转基因最常用的方法是显微注射法, 转染的成功率较高, 该方法需要保证基因表达载体的高纯度, 利用到的技术主要是超数排卵、体外受精 (或体内受精) 、早期胚胎培养、胚胎移植等生物学技术。该方法最终将目的基因直接注入了目的细胞的细胞质或细胞核。但是显微注射技术操作繁琐, 无法一次获得大量转基因细胞。因此科研人员设计了一些载体介导的转基因动物方法, 如适用于哺乳动物的SV40载体 (simian vacuolating virus 40 vector) , 它可以携带目的基因通过非同源重组而整合进真核细胞的染色体组。而另一种载体人乳多空BK病毒 (human papova BK virus, BKV) 则可以携带目的基因以类似于质粒的方式----多拷贝染色体外双链DNA形式存在数代。另外转基因动物的基因导入方法还有电击法、脂质体介导的基因转移等多种方法。

2. 植物转基因的常见方法。

植物转基因使用最多的将目的基因导入植物细胞的方法是农杆菌转化法。革兰氏阴性菌土壤农杆菌 (Agrobacterium tumerfaciens) 携带的Ti质粒 (tumor-inducing plasmid) 上有一段DNA, 称为T-DNA (transfer-DNA) , 它可以高效的携带目的基因进入双子叶植物并整合到植物细胞的染色体中, 并发生稳定的遗传。此法介导的基因转移具有转化效率高、目的基因无重大修饰改变、单拷贝转移等优点。

二、动植物转基因的遗传方式

随着现代生物技术的快速发展, 转基因的新技术不断产生, 老技术不断完善, 由于不同的目标, 人们选择的受体细胞也有所不同, 比如人们如果想得到某种具有某一特殊的性状的细胞或相应的细胞产物, 常会选择那些分裂能力强、繁殖周期短的细胞, 比如为获得用于表达外源蛋白的哺乳动物细胞系, 人们都是用培养的癌细胞来作为受体细胞, 因为癌细胞具有较好的分裂稳定性, 可确保转入的目的基因多次传代后不丢失, 能稳定遗传。

1. 细胞核遗传。

当转基因技术被用于动植物育种时, 人们主要考虑的是尽可能的把目的基因转入细胞核并整合到染色体当中去。转基因动植物在育种中的利用主要有两种方式, 直接育成新品种, 或转基因生物作为种质资源通过有性杂交或回交育种进行再利用。综合分析众多的转基因遗传结果, 可以得知绝大多数转基因的遗传方式符合孟德尔的基因分离定律。以抗虫棉为例, 若以转基因直接获得抗虫棉为亲本P, 与普通的非抗性棉花杂交, F1当中抗性与非抗性的比值满足1:1, F1当中的抗性植株自交产生的F2当中抗性与非抗性的比值满足3:1的性状分离比, 由此可知抗虫棉是由一对等位基因控制的, 普通抗虫棉基因型可看作Aa, 如果直接以此棉花作为转基因抗虫棉去推广种植, 很显然会在后代出现性状分离, 最终抗性比例逐渐下降, 为了解决此问题我们可以通过将普通转基因抗虫棉经过多代自交后获得稳定遗传的纯合子AA。如果通过纯种抗虫棉与非抗虫棉的正、反交, 其F1具有明显的棉铃虫杭性, 杭虫水平与纯合亲本一致, 抗棉铃虫性状表现为显性遗传, 正、反交F1的抗虫性基本相近, 表明转基因获得抗虫棉属于典型的细胞核遗传。

2. 细胞质遗传。

在转基因动植物的细胞核遗传给人类带来更多的喜悦和收获的同时, 有关转基因植物的安全性问题日益受到普遍关注。例如重组核基因通过植物异花授粉向野生近缘种传播的可能性 (特别是一些异花授粉植物接受抗除草剂基因的可能性) , 庆幸的是人类作为一种高级动物, 早就意识到科技进步的两面性, 因此有科学家根据有性生殖过程中雌雄配子的形成和受精的特点, 设想把有些特殊目的基因转入到受体细胞的叶绿体或线粒体基因组中, 由于植物的花粉和动物的精子几乎不会将细胞质基因带入受精卵, 也就是说受精卵中的由细胞质基因几乎全部来自卵细胞, 表现出来的就是典型的母系遗传现象。

将目的基因导入线粒体或叶绿体, 虽然可以有效的防止转基因生物的目的基因通过花粉转移到自然界中的其他植物, 造成“基因污染”, 但是由于细胞质遗传时, 位于线粒体和叶绿体的遗传物质是随机地、不均等地分配到子细胞中去的, 所以遗传的稳定性远不如将目的基因导入细胞核那样稳定。

三、总结

综上所述, 解决转基因动物的遗传问题, 首先要弄清目的基因被导入的是细胞核还是细胞质 (线粒体和叶绿体) , 如果导入的是细胞核, 那么一般可以把转基因直接获得的转基因动植物看成杂合子 (Aa) , 按孟德尔的基因分离定律去分析;如果导入的是植物细胞质, 那么可以避免转基因作物的目的基因通过花粉发生“基因污染”, 但还是可以通过卵细胞将目的基因遗传给子代的, 按细胞质遗传的特点来分析。

摘要：转基因动植物的遗传问题是近几年高考和各地调研试题的一个热门考点, 考察的知识点涉及基因工程、细胞核遗传与细胞质遗传 (母系遗传) 、孟德尔遗传定律等多个方面, 总体难度比较大, 概念易混淆, 本文拟从转基因动植物的一般原理和方法的介绍开始, 然后再联系几个典型试题进行必要的分析。

关键词：转基因动植物,目的基因,遗传

参考文献

[1]瞿李嘉, 顾红雅, 胡苹等.现代生物技术导论.北京:高等教育出版社, 1998:232—235

长寿未必靠基因线虫长寿可遗传篇4

英国《自然》杂志网站登载的一份研究报告说, 美国斯坦福大学等机构的研究人员用寿命只有两三个星期的线虫进行了实验。研究显示, 只需改变基因发挥作用的环境, 即通过增加或减少某些与基因接触的物质, 来“打开”或“关闭”相应基因的功能, 就可使线虫的寿命增加30%。更重要的是这种长寿现象被线虫遗传给了下一代, 从基因环境被改变的线虫算起, 其随后的3代子孙都出现类似的长寿现象。

这是令人困惑的现象, 因为如果基因本身发生有利于长寿的变化并将“长寿基因”传给下一代还容易理解, 但这些线虫的基因并没有变, 只是第一代线虫体内基因发挥作用的环境有所变化。

多对基因控制的遗传题解法例谈篇5

有关多对等位基因考查遗传定律的题目在平时训练及高考题中很常见。若多对等位基因分别位于不同对的同源染色体上, 各自控制的性状的遗传符合基因的自由组合定律;若同时位于同一对同源染色体上, 则符合基因的分离定律。笔者结合近几年高考中有关多基因遗传题不同的呈现形式及相应的解题方法进行分类整理, 以期能够帮助学生快速解题。

一、常规类型———基因型、表现型种类计算问题

一般的解题策略如下:

先审清题目要求, 即多对等位基因是位于一对、两对还是更多对同源染色体上。以三对等位基因为例:若三对等位基因位于一对同源染色体上, 则用基因分离定律 (或基因连锁互换规律) 来解题;若三对等位基因位于两对或两对以上同源染色体上, 在计算某类型出现的概率时应分成每一对等位基因按基因分离定律来算, 最后按自由组合定律计算。

例1.某一植物的三对相对性状是由三对等位基因控制的。利用它的花药进行离体培养, 再用秋水仙素处理。经此种方法培育出来的这种植物的表现型最少和最多的可能性分别是 ()

A.2种和4种B.4种和16种

C.4种和8种D.2种和8种

【解析】题干中没有明确三者的位置关系, 故应分情况讨论。若三对等位基因位于一对同源染色体上, 且不发生同源染色体非姐妹染色单体之间的交叉互换, 则只形成2种雄配子, 利用它的花药进行离体培养, 再用秋水仙素处理, 经此种方法培育出来的这种植物的表现型有2种, 是最少的情况;若三对等位基因位于三对同源染色体上, 按照基因的自由组合规律, 它能够形成2×2×2=8种雄配子, 利用它的花药进行离体培养, 再用秋水仙素处理后培育出来的植物的表现型有8种, 是最多的情况。

【答案】D

例2.下图表示孟德尔所研究的豌豆的七对性状在染色体上的分布, 请回答下列问题。

(1) 用纯种黄色圆粒豌豆和纯种绿色皱粒豌豆进行杂交, F1全为_____豌豆。让F1植株进行自交, 在产生的F2中, 得到种基因型, _____种表现型的豌豆种子, 表现型及其比例为_____。

(2) 将黄色圆粒高茎的豌豆与黄色皱粒高茎的豌豆杂交, 得到后代表现型比例为9∶3∶3∶1∶9∶3∶3∶1, 则这两株豌豆的基因型分别为_____和_____。

【解析】本题以图解方式呈现豌豆七对等位基因的分布情况, 很明显A/a与Y/y位于Ⅰ号染色体;Fa/fa与D/d和E/e均位于Ⅳ号染色体。 (1) 考查分别位于Ⅰ号和Ⅶ号染色体的两对非等位基因遵循自由组合定律。 (2) 考查分别位于Ⅰ、Ⅳ、Ⅶ号染色体上的自由组合情况, 根据子代表现型之比, 可知要得到 (9∶3∶3∶1) (1∶1) 的表现型比例, 则将两对基因一起考虑, 即YyDd×YyDd, 另一对基因单独考虑, 即Rr×rr。

【答案】 (1) 黄色圆粒94黄色圆粒∶黄色皱粒∶绿色圆粒∶绿色皱粒 =9∶3∶3∶1 (2) YyDdRrYyDdrr

二、表格呈现类

此类题目通过表格呈现出表现型与基因型的对应关系, 对照表格中基因型与表现型的对应关系, 根据题意写出所求个体基因型, 按照自由组合定律推导判断即可。

例3. (2013·福建卷) 甘蓝型油菜花色性状由三对等位基因控制, 三对等位基因分别位于三对同源染色体上。花色表现型与基因型之间的对应关系如下表。请回答:

(1) 白花 (AABBDD) ×黄花 (aaBBDD) , F1基因型是_____, F1测交后代的花色表现型及其比例是_____。

(2) 黄花 (aaBBDD) ×金黄花, F1自交, F2中黄花基因型有_____种, 其中纯合个体占黄花的比例是_____。

(3) 甘蓝型油菜花色有观赏价值, 欲同时获得四种花色表现型的子一代, 可选择基因型为_____的个体自交, 理论上子一代比例最高的花色表现型是_____。

【解析】本题将花色表现型与基因型之间的对应关系以表格呈现, 非常直观, 考查基因的自由组合定律的迁移运用, 考查综合分析、解决问题的能力。 (1) AABBDD×aaBBDD的后代基因型为AaBBDD, 其测交后代的基因型及比例为1AaBbDd∶1aaBbDd, 对照表格, 其表现型及比例为乳白花∶黄花=1∶1。 (2) 黄花 (aaBBDD) ×金黄花 (aabbdd) , F1基因型为aaBbDd, 其自交后代基因型有9种, 表现型是黄花 (9aaB_D_、3aaB_dd、3aabbD _) 和金黄花 (1aabbdd) , 故F2中黄花基因型有8种, 其中纯合体 (aaBBDD、aaBBdd、aabbDD) 占黄花的比例是3/15=1/5。 (3) 根据表中四种表现型的基因型, 欲同时获得四种花色表现型的子一代, 则亲代必须同时含A和a、B和b、D和d, 即基因型为AaBbDd, 其自交子代中白花的比例是1/4, 乳白花的比例是1/2, 黄花的比例是1/4×3/4×3/4+1/4×3/4×1/4+1/4×1/4×3/4=15/64、金黄花的比例是1/4×1/4×1/4=1/64, 故比例最高的花色表现型是乳白花。

【答案】 (1) AaBBDD乳白花∶黄花=1∶1 (2) 81/5 (3) AaBbDd乳白花

例4.某二倍体高等植物由三对等位基因分别控制不同的性状 (见下表) 。现有一株具有该三对等位基因的个体M与基因型为aabbcc的植株N杂交 (不考虑基因突变、交叉互换和染色体变异) , 请回答:

(1) 若子代基因型及比例为Aabbcc∶aaBbCc=1∶1, 则子代的表现型为。

请在图1中绘出植株M体细胞内该三对基因在染色体上的分布。

(2) 若子代基因型及比例为_____, 则植株M体细胞内该三对基因在染色体上的分布如图2所示。该情况下, 亲本可能组合为_____, 子代基因型与植株M相同。

(3) 若三对基因独立遗传, 则植株M自交, 子一代中红花窄叶中粗茎植株占_____。

【解析】 (1) 由给出的表格可知, AA、Aa为红花, aa为白花;BB为宽叶, Bb、bb为窄叶;CC为粗茎, Cc为中粗茎, cc为细茎。由M个体 (AaBbCc) 与aabbcc测交所得子代Aabbcc、aaBbCc表现型依次为红花窄叶细茎、白花窄叶中粗茎;由于aabbcc只产生abc一种配子, 可以将子代基因型分别消去abc, 可得M个体只能产生Abc和aBC两种配子, 说明这三对等位基因同位于一对染色体上, 即Abc连锁, aBC连锁, 绘图见答案。 (2) 若三对等位基因如图2所示, 则N与M杂交, 各自产生的配子如下图所示:

子代的基因型及比例为Aabbcc∶AabbCc∶aaBbCc∶aaBbcc=1∶1∶1∶1, 若A、a与B、b两对基因连锁, 产生子代的基因型均为AaBbCc的组合可能有AAbbCC×aaBBcc或AAbbcc×aaBBCC两种。 (3) 若三对等位基因独立遗传, 则植株M自交子代中开红花窄叶中粗茎植株的几率为3/4×3/4×1/2=9/32。

【答案】 (1) 红花窄叶细茎、白花窄叶中粗茎如右图所示 (2) AabbCc∶Aabbcc∶aaBbCc∶aaBbcc=1∶1∶1∶1AAbbCC×aaBBcc或 AAbbcc×aaBBCC (3) 9/32

三、实验流程及数据分析类

此类题一般给出多个杂交实验, 并显示子代各表现型的数据, 学生需要分析数据间的联系, 先找到某种性状在该代所占的比例, 综合分析出表现型与基因型的对应关系, 进而解决具体情境下的各种问题。

例5. (2011·新课标卷) 某植物红花和白花这对相对性状同时受多对等位基因控制 (如A、a;B、b;C、c……) , 当个体的基因型中每对等位基因都至少含有一个显性基因时 (即A_B_C_……) 才开红花, 否则开白花。现有甲、乙、丙、丁4个纯合白花品系, 相互之间进行杂交, 杂交组合、后代表现型及其比例如下:

根据杂交结果回答问题:

(1) 这种植物花色的遗传符合哪些遗传定律?

(2) 实验中, 植物的花色至少受几对等位基因的控制, 为什么?

【解析】本题呈现六组杂交实验, 由乙×丙和甲×丁杂交中F2代显性性状红色所占的比例为81/256= (3/4) 4, 由于n对等位基因自由组合且完全显性时, F2中显性个体的比例为 (3/4) n, 可推出各自F1红色基因型至少为四对等位基因的杂合子, 即AaBbCcDdEE等;乙和丁杂交F2代红色占27/64= (3/4) 3, 说明乙和丁中至少有一对是相同的纯合的显性基因, F1红色基因型为AaBbCcDDEE等。

【答案】 (1) 基因的自由组合定律和基因的分离定律 (或基因的自由组合定律) (2) 4对。由于n对等位基因自由组合且完全显性时, F2中显性个体的比例为 (3/4) n, 本实验的乙×丙和甲×丁两个杂交组合中, F2中红色个体占全部个体比例81/ (81+175) =81/256= (3/4) 4, 可判断乙×丙和甲×丁两个杂交组合中至少涉及4对等位基因。

例6.果皮色泽是柑橘果实外观的主要性状之一。为探明柑橘果皮色泽的遗传特点, 科研人员利用果皮颜色为黄色、红色和橙色三种类型的植株进行杂交实验, 并对子代果皮颜色进行了调查测定和统计分析, 实验结果如下:

实验甲:黄色×黄色→黄色

实验乙:橙色×橙色→橙色∶黄色=3∶1

实验丙:红色×黄色→红色∶橙色∶黄色=1∶6∶1

实验丁:橙色×红色→红色∶橙色∶黄色=3∶12∶1

请分析并回答:

(1) 上述柑橘的果皮色泽遗传受_____对等位基因控制, 根据杂交组合可以判断出_____色是隐性性状。

(2) 柑橘的果皮色泽由一对等位基因控制用A、a表示, 由两对等位基因控制用A、a和B、b表示, 以此类推, 则实验丙中亲代红色柑橘的基因型是_____, 其自交后代的表现型及其比例为_____。

(3) 实验丙中子代的橙色柑橘的基因型有_____种。实验丁中亲代的橙色个体的基因型为_____。

【解析】由实验乙或丁的子代出现黄色且分别占1/4、1/16, 可推出黄色是隐性性状;实验丙属于测交实验, 由实验结果1∶6∶1 (实际是1∶1∶1∶1∶1∶1∶1∶1的变形) 推出果皮颜色的遗传受三对等位基因控制, 并且基因型为A_B_C_的个体为红色, aabbcc的个体为黄色, 其余六种基因型均为橙色。实验丙中红色亲本的基因型为AaBbCc, 其自交后代表现型为红色A_B_C_的比例是3/4×3/4×3/4=27/64, 黄色的比例为1/4×1/4×1/4=1/64, 橙色的比例为1—27/64—1/64=36/64, 故红色∶橙色∶黄色=27∶36∶1;由实验丁的结果可知, 子代中红色个体所占比例为:3/16=3/4×1/2×1/2;黄色个体占1/16=1/4×1/2×1/2, 可推出亲代橙色基因型应只含一个显性基因, 即为Aabbcc或aaBbcc或aabbCc。

【答案】 (1) 3乙或丁黄 (2) AaBbCc红色∶橙色∶黄色=27∶36∶1 (3) 6Aabbcc或aaBbcc或aabbCc

例7.某植物黄色种子和绿色种子这对相对性状同时受多对等位基因控制 (如A、a;B、b;C、c……) , 当个体的基因型中每对等位基因都至少含有一个显性基因时 (即A_B_C……) 才结黄色种子, 否则结绿色种子。现有两个绿色种子的植物品系, 定为M、N, 各自与一纯合的黄色种子的植物杂交, 在每个杂交组合中, F1 都是黄色, 再自花授粉产生F2代, 每个组合的F2代分离如下:

M:产生的F2代, 27黄∶37绿

N:产生的F2代, 27黄∶21绿

根据杂交结果回答问题:

(1) 黄色种子和绿色种子这对相对性状同时受_____对等位基因控制, 其遗传遵循_____定律。

(2) 与M、N杂交的纯合的黄色种子的基因型为_____, M的基因型为_____, N的基因型为_____。

(3) 若让品系N产生的F2代中的黄色种子的植株自交, 其后代都结黄色种子的植株所占比例为_____。

【解析】 (1) 本实验的M杂交组合中, F2代中结黄色种子的个体占全部个体的比例为27/ (27+37) =27/64= (3/4) 3, 可判断这两个杂交组合中都涉及3对等位基因, 综合杂交组合的实验结果, 进一步判断N杂交组合中涉及的3对等位基因相同, 且遵循基因的自由组合定律。 (2) 由于结黄色种子的个体的基因型为A_B_C_, 所以纯合的黄色种子的植物基因型为AABBCC。由于与M杂交, F2代分离比为27∶37, 说明F1的基因型为AaBbCc, 所以M的基因型为aabbcc。由于与N杂交, F2代分离比为27∶21=9∶7, 说明F1的基因型为两对基因杂合, 一对基因显性纯合, 有AaBbCC、AABbCc和AaBBCc三种可能, 所以N的基因型为aabbCC或AAbbcc或aaBBcc。 (3) 品系N产生的F2代中的结黄色种子植株 (A_B_CC) 的概率为9/16, 纯合子AABBCC在F2代中所占比例1/16, 则其后代结黄色种子植株中的概率为1/9。

【答案】 (1) 3基因自由组合

(2) AABBCCaabbccaabbCC 或 AAbbcc或aaBBcc (3) 1/9

四、多个基因累加造成的数量性状遗传类

此种类型的题目一般要根据基因型中显性字母的个数多少建立与表现型之间的关系, 该种题目解题的基础仍为基因的自由组合定律。含2对基因时表现型为5种, 即含有4、3、2、1、0个显性基因的5种情况分别对应5种表现型;含3对基因时表现型为7种, 即含有6、5、4、3、2、1、0个显性基因的7种情况分别对应7种表现型, 以此类推。

例8. (2010·上海) 控制植物果实重量的三对等位基因A/a、B/b、C/c, 对果实重量的作用相等, 分别位于三对同源染色体上。已知基因型为aabbcc的果实重120克, AABBCC的果实重210克。现有果树甲和乙杂交, 甲的基因型为AAbbcc, F1的果实重135~165克。则乙的基因型是 ()

A.aaBBcc B.AaBBcc

C.AaBbCc D.aaBbCc

【解析】根据题中的隐性纯合子比显性纯合子轻了90克, 每个显性基因能增重15克。F1中果实重135~165, 也就是说基因型中有1~3个显性基因。甲的配子为Abc, 因此甲给后代一个显性基因。因此乙的基因型不能含有两个以上的显性基因, B项、C项错。A基因型与甲杂交后代只有一种基因型, A项错。

【答案】D

例9.某种二倍体植物的花色是由4对等位基因共同控制的, 4对等位基因分别位于4对同源染色体上, 它们分别是A/a、B/b、D/d、E/e。花色的深浅与个体所带显性基因数目有关, 而与基因种类无关, 如基因型AABBddee与aabbDDEE的表现型一致。若基因型为AaBbDdEe的个体自交, 则子代表现型总数及基因型为aaBbDDEe个体的比例依次是 ()

A.8和1/16 B.9和1/64

C.16和1/16 D.12和1/6

【解析】本题考查4对基因的独立遗传。AaBbDdEe的个体自交, 产生后代中基因型组成中含有大写字母个数为8、7、6、5、4、3、2、1、0, 故表现型为9种, 总的基因型种类有34=81种, 其中aaBbDDEe占1/4×1/2×1/4×1/2=1/64。

【答案】B

五、阅读叙述类

此类型的题目一般题干较长, 提供许多信息, 但在多数情况下, 尽管给出很多对基因, 而其实质是考查两对等位基因的遗传。学生遇到此类型的遗传题一定要有足够的耐心, 认真读取有效信息, 分析出特殊类型个体的基因型, 再根据所求进行细致推导与判断。

例10. (2013·新课标Ⅰ) 一对相对性状可受多对等位基因控制, 如某植物花的紫色 (显性) 和白色 (隐性) 。这对相对性状就受多对等位基因控制。科学家已从该种植物的一个紫花品系中选育出了5个基因型不同的白花品系, 且这5个白花品系与该紫花品系都只有一对等位基因存在差异。某同学在大量种植该紫花品系时, 偶然发现了一株白花植株, 将其自交, 后代均表现为白花。回答下列问题:

(1) 假设上述植物花的紫色 (显性) 和白色 (隐性) 这对相对性状受8对等位基因控制, 显性基因分别用A、B、C、D、E、F、G、H表示, 则紫花品系的基因型为_____。上述5个白花品系之一的基因型可能为_____ (写出其中一种基因型即可) 。

(2) 假设该白花植株与紫花品系也只有一对等位基因存在差异, 若要通过杂交实验来确定该白花植株是一个新等位基因突变造成的, 还是属于上述5个白花品系中的一个, 则:

1该实验的思路:_____。

2预期的实验结果及结论:_____。

【解析】本题以实验为载体, 考查对遗传定律的理解能力和杂交实验的设计能力。 (1) 由于8对等位基因共同控制一对相对性状, 紫花为显性性状, 白花为隐性性状。该紫花品系能稳定遗传, 说明是纯合体, 其基因型是AABBCCDDEEFFGGHH。科学家从中选育出的5个白花品系与该紫花品系都只有一对等位基因存在差异, 白花品系自交后代全部为白花植株, 因而白花品系也是纯合体, 并且与紫花纯合体AABBCCDDEEFFGGHH只有一对等位基因的差异, 又是隐性性状, 其基因型可能是其中一对为隐性基因, 其他全部是显性基因, 如:aaBBCCDDEEFFGGHH。 (2) 某同学偶然发现的白花植株也是与紫花品系只有一对等位基因存在差异, 那么它可能与科学家选育的上述5个白花品系中的某一个白花品系基因型相同, 也可能是一个新等位基因突变造成的, 可通过杂交实验进行鉴定。假若该白花植株为上述5个白花品系中的一个, 则相同基因型白花植株杂交后代还是白花植株, 基因型不同又是仅相差一对等位基因的白花植株杂交子一代为紫花植株。

【答案】 (1) AABBCCDDEEFFGGHHaaBBCCDDEEFFGGHH (2) 1用该白花植株的后代分别与5个白花品系杂交, 观察子代花色。2若杂交子一代全部是紫花, 则该白花植株是一个新等位基因突变造成的;若在5个杂交组合中如果4个组合的子代为紫花, 1个组合的子代为白花, 则该白花植株属于这5个白花品系之一。

例11. (2012·四川卷) (节选) 果蝇的眼色由两对独立遗传的基因 (A、a和B、b) 控制, 其中B、b仅位于X染色体上。A和B同时存在时果蝇表现为红眼, B存在而A不存在时为粉红眼, 其余情况为白眼。果蝇体内另有一对基因T、t, 与基因A、a不在同一对同源染色体上。当t基因纯合时对雄果蝇无影响, 但会使雌果蝇性反转成不育的雄果蝇。让一只纯合红眼雌果蝇与一只白眼雄果蝇杂交, 所得F1代的雌雄果蝇随机交配, F2代雌雄比例为3∶5, 无粉红眼出现。

(1) T、t基因位于_____染色体上, 亲代雄果蝇的基因型为_____。

(2) F2代雄果蝇中共有_____种基因型, 其中不含Y染色体的个体所占比例为_____。

【解析】 (1) 根据题意可知, 基因T、t与性别无关, 只是隐性纯合时会使雌果蝇性反转成不育的雄果蝇, 因此该基因位于常染色体上。纯合红眼雌果蝇的基因型为AAXBXB, 由于tt基因纯合时会使雌果蝇性反转成不育的雄果蝇, 所以纯合的雌果蝇只能是TTAAXBXB。由于后代无粉红眼出现, 说明亲代不含a基因, 所以亲本的白眼雄果蝇基因型为AAXbY, F1代杂交, F2代无粉红眼出现, 且雌雄比例为3∶5 (正常应该为1∶1) , 说明有1/8的雌果蝇发生性反转, (1/4TT∶2/4Tt∶1/4tt) (1/2XX∶1/2XY) , 其中1/8ttXX发生性反转, 所以亲代雄果蝇基因型为ttAAXbY。 (2) 亲代雄果蝇基因型为ttAAXbY, 亲代雌果蝇基因型为TTAAXBXB, 因此F1代果蝇基因型为TtAAXXBXb、TtAAXBY, F2代中有少数雌性个体发生性反转, F2的雄果蝇基因型有8种及各自所占份数见图解, 如下划线的为性反转的果蝇 (不含Y染色体) , 占全部雄果蝇的比例为 (1+1) /10=1/5。

【答案】 (1) 常ttAAXbY (2) 81/5

【学以致用】

1.基因型为ddEeFF和DdEeff的两种豌豆杂交, 在3对等位基因各自独立遗传的条件下, 其子代个体表现型不同于两个亲本的个体数占全部子代的_____。

2.小麦麦穗基部离地的高度受四对基因控制, 这四对基因分别位于四对同源染色体上。每个基因对高度的增加效应相同且具叠加性。将麦穗离地27cm的mmnnuuvv和离地99cm的MMNNUUVV杂交得到F1, 再用F1代与甲植株杂交, 产生F2代的麦穗离地高度范围是36~90cm, 则甲植株可能的基因型为 ()

A.MmNnUuVv B.mmNNUuVv

C.mmnnUuVV D.mmNnUuVv

3.已知番茄的抗病与感病, 红果与黄果、多室与少室这三对相对性状各受一对等位基因的控制, 抗病性用A、a表示, 果色用B、b表示, 室数用D、d表示。为了确定每对性状的显、隐性, 以及它们的遗传是否符合自由组合规律, 现选用表现型为感病红果多室和_____两个纯合亲本进行杂交, 如果F1表现抗病红果少室, 则可确定每对性状的显、隐性, 并可确定以上两个亲本的基因型为_____和_____。将F1自交得到F2, 如果F2的表现型有_____种, 且它们的比例为_____, 则这三对性状的遗传符合自由组合规律。

4.某植物籽粒颜色是由三对独立遗传的基因共同决定的, 其中基因型A_B_R_的籽粒红色, 其余基因型的均为白色。

(1) 籽粒红色的植株基因型有_____种, 籽粒白色的纯合植株基因型有_____种。

(2) 将一红色籽粒植株甲与三株白色植株杂交, 结果如上表, 该红色植株甲的基因型是_____。

5.若三个独立分离的基因, 各有两个等位基因 (如A/a、B/b、C/c) , 共同决定某一植物的高度。当有显性基因存在时, 每增加一个显性基因, 该植物会在基本高度2cm的基础上再增加2cm。请回答:

(1) 纯合子AABBCC (14cm) ×aabbcc (2cm) 之间杂交产生的F1子代高度是_____cm。

(2) F1×F1杂交后子代中高度为4cm、6cm和8cm的基因型分别有_____/_____和_____种。

(3) F2中和亲本高度相等的比例是_____。

(4) F2中与F1一样高的纯合子的植株比例是_____。

6.某植物红花和白花这对相对性状同时受多对等位基因控制 (如A、a;B、b;C、c……) , 这些基因位于非同源染色体上。当个体的基因型中每对等位基因都至少有一个显性基因时 (即A_B_C_……) 才开红花, 否则开白花。现有品系1、品系2、品系3三个不同的纯种白花品系, 相互之间进行杂交, 杂交组合、后代表现型及其比例如下:

实验1:品系1×品系2, F1全为白花;

实验2:品系1×品系3, F1全为红花;

实验3:品系2×品系3, F1全为白花;

实验4:F1红花×品系1, 后代表现为1红∶3白;

实验5:F1红花×品系2, 后代表现为1红∶7白;

实验6:F1红花×品系3, 后代表现为1红∶1白。

结合上述杂交实验结果, 请回答:

(1) 根据上述实验可推知, 花色性状至少由_____对等位基因控制。其判断理由是: _____。

(2) 根据以上分析, 这三个纯种品系的基因型分别为:品系1_____ , 品系2 _____, 品系3_____。

(3) 用实验2中的F1红花与实验3中的F1白花杂交, 后代中红花比例为_____。

7.小麦抗锈 (T) 与感锈 (t) 、红粒 (R) 与白粒 (r) 、毛颖 (D) 与光颖 (d) 是三对相对性状, 且三对等位基因是自由组合的。现有三个纯合小麦品种:抗锈毛颖红粒、抗锈光颖红粒、不抗锈毛颖白粒。请回答:

(1) 相对性状是由_____控制的。性状表现不同的根本原因是。

(2) 要想培育出更多麦粒颜色的品种, 可采用_____育种方法。

(3) 要在短时间内快速培育出抗锈光颖白粒品种。请简要写出育种过程。

8.某自花受粉植物的蒴果形状有三角形和卵形两种, 果实形状由两对等位基因决定, 而且两对基因为自由组合, 分别用A、a, B、b来表示。做了三组杂交实验, 结果如下:

实验1:三角形×卵形, F1均为三角形, F2表现为15三角形, 1卵形;

实验2:三角形×卵形, F1均为三角形, F2表现为3三角形, 1卵形;

实验3:三角形×卵形, F1均为三角形, F2表现为27三角形, 5卵形。

(1) 将实验1的F1与基因型为aabb的个体杂交, 子代的表现型及比例为_____。

(2) 实验3中的三角形亲本的基因型为_____。

(3) 该植物开红花 (EE) 的个体与开白花 (ee) 的个体杂交, F1杂合体 (Ee) 的花为粉红色, 亲本甲 (AABBEE) 和亲本乙 (aabbee) 杂交, 得F1, 将F1自交得到F2, 如果F2的表现型有_____种, 且它们的比例为_____ , 则这三对性状的遗传符合基因自由组合定律, F2个体中, 自交后代不发生性状分离的红花、三角形果实的个体占F2的_____。这部分红花、三角形果实个体中纯合子占该部分的_____。

【参考答案】

1.5/8

2.B

3. (1) 抗病黄果少室aaBBddAAbbDD827∶9∶9∶9∶3∶3∶3∶1

4. (1) 87 (2) AaBBRr

5. (1) 8 (2) 367 (3) 1/32 (4) 0

6. (1) 3品系2为纯合子, F1为杂合子, 由实验5可知, 后代中红花比例是1/8= (1/2) 3, 故是由3对基因控制 (2) aaBBcc (或AAbbcc/aabbCC) aabbccAAbbCC (或aaBBCC/AABBcc) (3) 9/32

7. (1) 等位基因控制相对性状的基因的脱氧核苷酸的排列顺序不同 (2) 诱变 (3) 采用单倍体育种方法, 即:

8. (1) 三角形∶卵形 =3∶1 (2) AABb或AaBB (3) 630∶15∶15∶2∶1∶17/643/7

鸭流感病毒HA基因遗传变异分析篇6

1 材料与方法

1.1 基因来源见表1。

注:CY098790由中国疾病预防与控制中心分离[1], JN646713由杭州某医院分离[2], GU596984由扬州大学分离[3]。

1.2 同源性比较与进化树分析

将表1中病毒序列从GENBANK上下载, 利用DNAStar软件比较同源性、制作进化树。

2 结果

2.1 鸭流感病毒HA基因同源性比较

近年我国来分离的鸭流感病毒与其他流感病毒HA基因同源性比较, 见表2。

由表2可以看出2009年分离的CY098790与Re-5的HA基因的同源性为97.3%;2011年分离的JN646713与Re-5的同源性为94%。

2.2 鸭流感病毒HA基因遗传进化树

近年我国来分离的鸭流感病毒与其他鸭流感病毒HA进化关系, 见图1。

由图1可以看出, 2009年分离的CY098790与Re-5和2008年分离的GU596984可聚为同一支, 2011年分离的JN935004与CY098751为另一支, Re-1和Re-4与上述毒株相距更远。

3 讨论

近年来, 国内兽医领域鲜有鸭高致病性禽流感病毒的研究报告。我国目前使用的H5N1 Re-4、H5N1 Re-5疫苗原始毒株都是2006年分离的[4], 距今已6年, 本文证明在此期间我国流行的H5N1已发生了一定程度的变异。

根据遗传进化树图可知, 2009年以前分离的鸭流感病毒可与Re-5分为一支, 2011年分离的鸭流感病毒与目前使用的三株疫苗毒株H5N1 Re-1, Re-4, Re-5亲缘关系都有一定距离, 虽然与Re-5亲缘关系相对较近, 但是已不属于同一家族。有鉴于此, 我国疫苗研发部门应尽快推出新的鸭用流感 (H5N1) 疫苗。

摘要：本文根据近年来中国医学机构发表的分离自我国鸭群的流感病毒HA基因, 与我国正在使用的流感疫苗等毒株的HA基因进行了遗传进化分析。结果显示, 目前我国流行的鸭流感病毒与H5N1 Re-5最接近, 但是也有一定程度的变异。

关键词：鸭流感病毒,血凝素基因,遗传变异

参考文献

[1]Xiu-Feng Wan, Libo Dong, Yu Lan, et al.Indications that Live PoultryMarkets Are a Major Source of Human H5N1Influenza Virus Infection in China.J Virol.2011, 85 (24) :13432–13438

[2]Hai-Bo, W., Chao-Tan, G., Ru-Feng, L., et al.Characterization of a highly pathogenic H5N1avian influenza virus isolated from ducks in Eastern China in2011.Arch.Virol.2012, 157 (6) :1131-1136

[3]顾敏, 刘文博, 曹军平等.1株含H9N2内部基因的H5N1亚型基因重配禽流感病毒的全基因测序及遗传进化分析[J].病毒学报, 2010, 26 (4) :298-304.