為什麼基因型不能用計數原理計算?

當基因型為AaBb的植株自交時,求AaBb基因型比例為什麼不能用排列組合數(C2/1)^4÷(C8/4)=8/35來計算

高中學弟的疑問


謝邀。

以下內容如果表述不當/內容錯誤歡迎指正。

基因型是可以用計數原理計算的,只是題主的方法不對。

遺傳學初學者常有的問題,就是不明白基因是不能像數學中常見的元素那樣隨意被選擇的。當然,這並不太影響你解決高中遺傳題。但是這個現象暴露出的深層問題,就是大部分高中的同學對於孟德爾遺傳定律的本質沒有清晰的認識。

題主犯了一個很嚴重的錯誤。

題主給出的計算式:frac{C_{2}^{1}cdot C_{2}^{1}cdot C_{2}^{1}cdot C_{2}^{1}}{C_{8}^{4}}=frac{8}{35}

在題主給出的計算式中,雙雜合子雜交後代基因型的事件總數是 C_{8}^{4} ,這意味著什麼呢?意味著在四個可以填入基因的位置對於可填入的基因沒有限制, AAaaBBbb 這八個基因可以隨意填入。那麼,在 C_{8}^{4} 的情況下,會發生什麼呢?我們將會發現,子代中將存在基因型為 AAaa 的個體。這是不合實際的。

那麼,事實上事件總數應該是什麼呢?

我們知道,實際上在四個位置上,有兩個只能填入 A/a ,另外兩個只能填入 B/b ,也就是說,後代中基因型只有可能是 AABBAABbAAbbAaBBAaBbAabbaaBBaaBbaabb 這九種。

這樣看來,事件總數的表達式應該是: C_{4}^{2}cdot C_{4}^{2}

我們從 AAaa 中抽取兩個,放入其中兩個位置;從 BBbb 中抽取兩個,放入另外兩個位置。我們好像找到了這個問題的解了呢!

事實確是如此嗎?

根據組合的原理,我們可以得出結論: AABBAABbAAbbAaBBAaBbAabbaaBBaaBbaabb 這九種基因型在後代中的比例是相等的。這是容易證明的。

然而,高中教材中明確告訴我們了,這個比例應該是 1:2:1:2:4:2:1:2:1 ,我們得出的結論顯然是錯誤的。為什麼會有這樣的矛盾呢?


2017.12.26補充

在繼續之前,我們補充基因座的概念:基因座是指染色體上的固定位置,例如某個基因的所在。而基因座上的DNA序列可能有許多不同的變化,各種變化形式稱為等位基因。[1]

也就是說,我們平時所說的基因,在染色體上都是有它的固定位置的。基因在一個正常的染色體組中,其數量和所處的位置都是不變的。


請各位讀者回憶一下在有性生殖過程中十分重要的兩個過程:減數分裂與受精作用。


2017.12.26更新

圖1. 減數分裂過程示意圖

上圖所示為精細胞形成過程的簡單示意圖。其中,形態相同而顏色不同的一對染色體稱為一對同源染色體。同源染色體之間相比,其上的基因座是相同的。而非同源染色體之間,一般沒有相同的基因座。這也就解釋了為什麼在正常的二倍體生物(體細胞內染色體組數為2的生物)中存在 AAaa 這樣的基因型是不合實際的,特別是在已知 AaBb 為正常個體的情況下。

現在我們假設圖1. 中較長的染色體攜帶 A/a 基因,較短的染色體攜帶 B/b 基因,且紅色染色體攜帶顯性基因,藍色染色體攜帶隱性基因(染色體的顏色僅表示其所屬的染色體組,沒有其它意義)。那麼我們就可以清楚地看到,基因會隨著基因座而進入到配子細胞中,且這個過程遵循孟德爾遺傳定律。

圖2. 圖中黃色條帶分別標示出A和b的基因座,圖示基因型為Ab的配子細胞

由此我們可以發現,所謂基因的分離與自由組合,即基因座的分離與自由組合,亦即染色體的分離與自由組合。於是,我們就把基因的行為與染色體的行為牢牢地聯繫在了一起。

現在,我們將圖1. 中的精原細胞所含的染色體命名為m1、m2、n1、n2,其中m代表染色體形態為長,n代表染色體形態為短;1代表紅色染色體,2代表藍色染色體。

於是,對於圖1. 所對應的二倍體生物而言,在孟德爾遺傳定律的限制下產生的配子細胞,必然含有一個m與一個n,而數字則沒有限制,可以是1-1、1-2、2-2等組合,且各種配子的比例相等。將題中的 AaBb 個體代入,將基因與染色體分別對應後,我們就會發現產生的配子必然是: ABAbaBab 。可以理解為:將含有 A/a 基因座的染色體命名為m,含有 B/b 基因座的染色體命名為n,含有顯性基因為1,含有隱性基因為2。

也就是:m1n1- AB , m1n2- Ab , m2n1- aB , m2n2- ab

表1. 親本一配子中染色體組成

然後,我們將m、n用大寫字母替換,作為另一個親本所含的染色體。那麼,另一個親本所產生的配子為:M1N1- AB , M1N2- Ab , M2N1- aB , M2N2- ab

表2. 親本二配子中染色體組成

讓我們回顧一下受精作用。

圖3. 受精作用示意圖,此處染色體顏色示意染色體的來源(來自哪個親本)

如圖所示,受精作用中來自兩個不同親本的配子細胞結合,形成受精卵。其中,不同基因型的配子的活力相同(即任何基因型的配子完成受精作用的概率是相同的)。配子細胞各自攜帶的染色體成為新個體的染色體。受精卵進一步生長發育形成新個體。

於是,我們可以得出下表:

表3. 受精卵的染色體組成,本表可用於分析涉及染色體變異的孟德爾遺傳

在此例中,對應的受精卵基因型如下表:

表4. 本題中受精卵對應的基因型

表4. 中,每一格內對應的情況發生的概率相同。於是就有了本答案前文中的內容:

高中教材中明確告訴我們了,這個比例應該是 1:2:1:2:4:2:1:2:1

(雙雜合子自交後代中各基因型的比例)

所以,我們根據表4. 即可直接得出問題的答案:雙雜合子自交後代中 AaBb 基因型個體的比例為 frac{4}{16}=frac{1}{4}

那麼,怎樣用計數原理來理解這個問題呢?


首先,我們來看看如何列出所有情況的數量的表達式。產生子代的第一步,就是配子的形成,也就是減數分裂,產生配子細胞。

要完成產生一個配子細胞的過程,就需要將染色體填充進去。

將含有 A/a 基因座的染色體命名為m,含有 B/b 基因座的染色體命名為n,含有顯性基因為1,含有隱性基因為2。

在孟德爾遺傳定律的限制下產生的配子細胞,必然含有一個m與一個n,而數字則沒有限制,可以是1-1、1-2、2-2等組合,且各種配子的比例相等

也就是說,我們要從m1、m2中挑選出一個,從n1、n2中挑選出一個,放入我們的配子細胞里。這兩個環節互不影響(孟德爾遺傳定律保證了這一點),因此可以利用分布計數原理得到這個個體產生配子的種數。也就是: C_{2}^{1}cdot C_{2}^{1}

這樣,我們就得到了一個配子細胞。可是,只有一個配子細胞並不夠,還需要一個。於是,我們來看看另一個親本種配子:顯然,另一個親本產生配子的過程並沒有什麼不同。所以,同樣也是: C_{2}^{1}cdot C_{2}^{1}

現在,我們就有了兩個配子細胞了呢。然後我們要做什麼呢?當然是讓他們結合形成受精卵。從一個親本的配子里挑一個,這是第一步;從另一個親本的配子里挑一個,這是第二步。依然是分布計數原理,我們把他們乘起來,就得到了後代的基因型的所有可能性: C_{2}^{1}cdot C_{2}^{1}cdot C_{2}^{1}cdot C_{2}^{1}

實際上,等同於按照下表分步(依次選擇兩者之一填入受精卵中):

表5. 計算後代的染色體組成的分步方法


好了,我們已經得到了計算概率的分母。那麼分子呢?對於一個 AaBb 的個體,有多少種產生方式呢?

這裡,我們要用分類計數原理來理解。

此處我們藉助表格直觀地理解這一過程。

表6. 計算獲得AaBb個體的方法的種數

獲得 AaBb 個體,實際上就是要獲得一個在m/M和n/N這兩對同源染色體中,分別有且僅有一個後綴數字為1。下面是獲得一個 AaBb 個體的方法:

  1. 假設我們從m染色體開始選擇。那麼,此處我們有兩種選擇:m1/m2。
  2. 第二步選擇M染色體。當選定一個m染色體後,M後的數字必須與m不同。因為:「含有顯性基因為1,含有隱性基因為2。」所以,無論選擇m1還是m2,第二步都將不存在選擇的餘地。
  3. 第三步,我們來選擇n。我們會發現,無論之前做出了什麼選擇,對於n的選擇沒有影響。此處均有兩種選擇:n1/n2。
  4. 第四步選擇N。同2. 理,第四步不存在選擇餘地。

於是,在選擇m1的情況下,共有如下多種方法: 1cdot 1cdot C_{2}^{1}cdot 1

在選擇m2的情況下,共有如下多種方法: 1cdot 1cdot C_{2}^{1}cdot 1

綜上所述,為了獲得一個 AaBb 的個體,我們有 1cdot 1cdot C_{2}^{1}cdot 1+1cdot 1cdot C_{2}^{1}cdot 1 種方法。

到這裡,我們就獲得了計算雙雜合子自交後代中 AaBb 個體的比例的分子和分母。因此,我們得出最後的結論:基因型可以利用計數原理計算。

其結果為: frac{2cdot (1cdot 1cdot C_{2}^{1}cdot 1)}{C_{2}^{1}cdot C_{2}^{1}cdot C_{2}^{1}cdot C_{2}^{1}}=frac{2cdot 2}{2cdot 2cdot 2cdot 2}=frac{4}{16}=frac{1}{4}


全劇終。


[1] 百度百科 詞條:基因座 基因座_百度百科

先寫到這裡。周二再繼續寫。臨近期末,寫個答案不容易。給幾個贊鼓勵一下唄233333

已於2017.12.26星期二填坑。

文中涉及的關於染色體於基因的聯繫、相互代換的內容,本人認為了解後對於理解高中遺傳學有很大的作用。希望這篇回答可以幫助大家更好地學習高中生物。如有不足敬請指出,謝謝!


因為前面倆必須是A、a,後面倆必須是B、b。你列的式子沒有體現這個約束,是不對的。


基因甲 基因乙

植株(1) Aa Bb

植株(2) Aa Bb

自交是從植株(1)的基因甲里取一個字母、基因乙里取一個字母,植株(2)的基因甲里取一個字母、基因乙里取一個字母…

用排列組合也得搞清楚從哪取的誰是誰啊= =…話說本來也是排列組合啊…只不過沒用上符號罷了。

總共的可能性有:(2^2)*(2^2) = 2^4

其中 AaBb 的有:甲(1A, 2a) 或 (1a, 2A) 【並且】 乙(1B, 2b) 或 (1b, 2B)

總共有幾種呢?甲有兩種,乙有兩種,總共就有 2*2 = 4 種。

所以答案是 4/2^4 = 1/4…

至於題主給出的分母是指,所有8個字母可以「自由組合」,也就是可以包含AaAa這樣的組合;至於題主給出的分子…貌似只是甲1裡面取一個字母、甲2裡面取一個、乙1裡面取一個、乙2裡面取一個,也可以包含aabb這樣的組合吧…


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