Учитель года - 2014 программа элективного курса Основы генетического анализа
элективный курс по биологии (9 класс) по теме

МБОУ «Нижнеметескинская средняя общеобразовательная школа»

 Арского муниципального района РТ

Программа элективного курса

 «Основы генетического анализа»

Учитель биологии,

высшей квалификационной категории,

Маннанова Лилия Равилевн

Аннотация

Генетический анализ – это совокупность методов генетики, которые позволяют по признакам судить о генах, контролирующих эти признаки

   Как в химии с помощью лакмусовой бумажки можно определить, кислота или щелочь находится в растворе, так и в генетике по набору «лакмусовых бумажек» - расщеплению признаков – можно судить о числе генов, контролирующих развитие признаков, о локализации гена в аутосоме или  Х-хромосоме, о локолизации двух генов в одной  хромосоме или в разных хромосомах и т.д. Это анализ от признака к гену: например, если в F2моногибридного скрещивания расщепление по фенотипам одного признака пошло как 3:1 – признак контролируется аллелями одного гена, если расщепление 9:3:3:1 – признак контролирует аллели двух генов и т.д.

   Анализ возможен и в обратном направлении – от гена к признаку: это значит, что селекционер может проводить работу, опираясь на точное знание того, как будут «вести себя» гены, которые он хочет объединить в одном организме. Это значит, что когда-нибудь врач сможет точно предвидеть, будет лекарство полезным, бесполезным или вредным для конкретного человека.

   Предлагаемый элективный курс рассчитан на расширение кругозора учащихся в области генетики и на углубление генетических знаний, полученных в курсе общей биологии, что будет способствовать успешной сдаче ЕГЭ.

    Проведение курса целесообразно в 11 классе после разделов «Основные закономерности наследственности» и «Основные закономерности изменчивости»

Пояснительная записка

   Разделы «Генетика» и «Молекулярная биология» являются одним из самых сложных для понимания в школьном курсе общей биологии. Особенно «пугают» многих учащихся генетические задачи. Вероятно, основная причина в том, что генетика – это точная наука, сходная с математикой. В генетике есть единица измерения – ген. Генетические закономерности нельзя заучить, их нужно понимать. Только тогда они сами собой «заучатся». Именно на понимание генетических закономерностей направлены генетические задачи. Ведь вся генетика – это множество генетических задач, их уже решили ученые, а учащимся остается понять логику решений этих задач, после чего можно пойти дальше. Решение задач, как учебно-методический приём изучения генетики, имеет важное название. Его применение способствует качественному усвоению знаний, получаемых теоретически, повышая их образность, развивает умение рассуждать и обосновывать выводы, существенно расширяет кругозор изучающего генетику, т.к. задачи, как правило, построены на основании документальных данных, привлечённых из области частной генетики растений, животных, человека. Использование таких задач развивает у школьников логическое мышление и позволяет им глубже понять учебный материал, а преподаватель имеет возможность осуществлять эффективный контроль уровня усвоенных учащимися знаний. Несмотря на это школьные учебники содержат минимум информации о закономерностях наследования, а составлению схем скрещивания и решению генетических задач в школьной программе по общей биологии отводится очень мало времени. Поэтому возникла необходимость в создании данного курса.

Целью курса является развитие у учащихся умения и навыков решения задач по основным разделам классической генетики. В задачи входит развитие интереса к предмету, ликвидация пробелов в знаниях учащихся, а также показать практическую значимость общей биологии для различных отраслей производства, селекции, медицины. Курс позволит учащимся усвоить основные понятия, термины и законы генетики, разобраться в генетической символике, применять теоретические знания на практике, объяснять жизненные ситуации с точки зрения генетики, подготовиться к сдаче ЕГЭ.

Основные разделы содержат краткие теоретические пояснения закономерностей наследования и предполагают решение задач. Курс рассчитан на тех, кто уже обладает знаниями по генетике и молекулярной биологии, но может быть использован и для тех, у кого таких знаний ещё нет. Например, при подготовке учащихся 10-х классов к биологическим олимпиадам или поступлению в ВУЗы. В зависимости от уровня подготовленности учащихся учитель может подбирать типичные задачи или задачи разного уровня сложности, а также по своему усмотрению увеличивать количество часов по отдельным разделам.

Программа предусматривает проведение аудиторных занятий, в начале которых даются теоретические знания учителем, затем приводятся примеры решения задач и в конце учащимся предлагаются задачи для самостоятельного решения. Для подготовленных учащихся в начале проводится краткое повторение теоретического материала, а затем учащиеся решают задачи. Контроль за выполнением проводится учителем, либо совместно с учениками.  Предлагаемый курс – лишь очень малая доля того, что известно  о генетическом анализе в настоящее время.

Цель курса

Расширение кругозора учащихся  в области генетики и углубление их генетических знаний, полученных в курсе общей биологии.

Задачи курса

• Показать учащимся роль генетических коллекций в генетическом анализе.
• Ознакомить учащихся с некоторыми особенностями постановки эксперимента на модельных генетических объектах.
• Ознакомить учащихся с некоторыми причинами  отклонений о т ожидаемых результатов скрещивания.
• Ознакомить учащихся с некоторыми математическими методами обработки генетических наблюдений и экспериментов.
• Сформировать у учащихся понимание единства генетических закономерностей  для всех живых организмов и особенностей их проявления у конкретных видов.
• Закрепить и расширить знания учащихся о типах наследования признаков.
• Закрепить и расширить навыки решения генетических задач.

Формы организации обучения

• Лекции.
• Лабораторные работы.
• Практические занятия

Формы контроля знаний

Текущий контроль: собеседование по ходу занятия, тестовой контроль на каждом занятии.

Тематический контроль: контрольные работы по решению генетических задач.

Итоговый контроль: комбинированная тестовая контрольная работа.

Основные требования к знаниям и умениям

Учащиеся должны знать:

• Основные понятия, термины и обозначения, используемые в генетике;
• Основные методы генетического анализа;
• Особенности разных типов наследования одного и нескольких признаков у разных видов организмов, основные формулы расщепления в F1  и в F2 при разных типах наследования;
• Назначение генетических коллекций;
• Основные требования к постановке генетического скрещивания;
• Чем обусловлена генетическая индивидуальность каждого организма;
• Основные причины, нарушающие менделеевские  расщепления;
• О достижениях в области молекулярной генетики.

Учащиеся должны уметь:

• Пользоваться генетическими терминами;
• Определять типы гамет у организмов с разными генотипами;
• Определять без решетки Пеннета соотношение генотипов и фенотипов в F2 моногибридного,  дигибридного и более сложных скрещиваний;
• Применять формулы расщепления в F2 и в Fа при разных типах наследования;
• Решать генетические задачи;
• Применять формулу Харди-Вайнберга;
• Определять хромосомные синдромы у человека по фотографиям кариотипов с дифференциально окрашенными хромосомами.

Содержание курса

Общее количество часов – часов

Введение (3ч)

   Генетический анализ – совокупность методов генетики.

   Цели генетического анализа: по проявлению признаков определять свойства контролирующих их генов; по свойствам генов определять свойства контролируемых ими признаков и использовать это в практических целях.

   Задачи генетического анализа: определять типы наследования отдельных признаков; устанавливать  локализацию генов в хромосомах; определять структуру, функции и механизмы действия отдельных генов.

   Основные понятия генетики и их взаимосвязь: наследственность, наследование, наследуемость; ген, генотип, генотипическая среда; признак; фенотип, фен.

   Роль генотипической среды и факторов внешней среды в проявлении признака. Плейотропия, экспрессивность и пенетрантность – показатели роли генотипической и внешней среды в проявлении признака.

   Генетическая коллекция – совокупность форм одного вида, которые различаются по фенотипам и генотипам одного или нескольких признаков (штаммы бактерий и низших эукариот, чистые линии, спонтанные и индуцированные мутанты, сорта растений; породы, линии, культуры тканей и клеток, сперма, ооциты и эмбрионы животных)

   Линии- анализаторы. Банки генов.

   Хранение генетических коллекций. Международное значение генетических коллекций.

   Основные методы генетического анализа и некоторые особенности и их применения. Гибридологический метод;; генеалогический, близнецовый, цитогенетический; метод гибридизации соматических клеток4 биохимические, молекулярно-генетические методы. Значение международного проекта «Геном человека» в создании новых методов молекулярно-генетического анализа ДНК.

   Статистические методы; методы математической обработки результатов, полученных при использовании других методов исследования; самостоятельные статистические методы исследования модификационной изменчивости и распространения отдельных генов в популяциях.

Гибридологический метод – основной специфический метод генетики(Мендель, 1865). Суть метода – требования, предъявляемые к постановке скрещивания, анализ полученных результатов.

   Общая генетика (выявляет закономерности, присущие всем живым организмам) и частная генетика конкретного вида организмов ( выявляет закономерности наследования конкретного признака у конкретного вида).

   Модельные объекты. Особенности модельных объектов: большой набор гомозиготных особей по контрастным фенотипам отдельных признаков, хорошая плодовитость гибридов, несложность содержания коллекции, короткий период жизненного цикла, простота постановки скрещивания. Наиболее часто используемые модельные объекты: кишечная палочка, нейроспора, дрожжи, растения арабидопсис, кукуруза, мышь, дрозофила.

   Дрозофила  - один из модельных объектов генетики. Особенности жизненного цикла дрозофилы. Требования к постаноке скрещивания. Причины, по которым нельзя проводить генетические скрещивания мух, взятых из природной популяции. Чем характеризуются линии дрозофил.

1. Типы скрещивания и их назначение (2 часа)

Лекция с элементами собеседования

Цель занятия: составить свободную таблицу «Генотипы и фенотипы ( в F1 , F2 , Fa )  при разных типах наследования»

Ход занятия: решение задач на разные типы наследования признаков.

   Простые признаки: контролируются аллелями одного гена. Типы наследования простых признаков6 менделевское (менделизм)  - ген в аутосоме; сцепленное с полом – ген в X – хромосоме; частично сцепленное с полом – ген в  X – и в  Y-хромосомах; голандрическое  – ген в Y- хромосоме; зависимое от пола – ген в аутосоме. Сложные признаки: контролируются аллелями нескольких генов (комплементарность, эпистаз, полимерия).

    Моногибридное скрещивание: реципрокные скрещивания. По F1 выявляется ядерное и неядерное наследование, сцепленное с полом, голандрическое наследование, полное и неполное доминирование, возможно предположение о взаимодействии аллелей разных генов. По расщеплению в F2  выявляется число генов, контролирующих развитие признака и типы взаимодействия аллелей одного или нескольких генов.

    Анализирующее скрещивание - выявляется генотип родителя с доминантным признаком и число генов, контролирующих развитие признака (используется для анализа наследования при сцеплении генов и кроссинговере).

   Возвратные скрещивания — подтверждают неполное доминирование.

    Насыщающие (поглотительные) скрещивания — применяются при изучении материнского эффекта цитоплазмы.

   Циклические и диаллельные скрещивания — выявляют число генов, контролирующих признак.

   Дигибридное скрещивание — выявляет свободное комбинирование и сцепленное наследование двух признаков.

   Показать причины, по которым расщепление генов может не соответствовать тому, что ожидается теоретически.

2. Работа с дрозофилой (1 ч)

Лабораторная   работа

Цели занятия (занятие проводится в сентябре):

• показать несложность работы с дрозофилой;
• продемонстрировать однообразие фенотипов (на примере трех признаков) в природных популяциях;
• сформулировать  понятия:   «фенотип  дикого  типа»,«мутантные фенотипы», «линия»;
• показать роль генетических коллекций линий дрозофилы в генетическом анализе.

3. Вероятностный характер расщепления признаков (2 ч)

Практическое  занятие

Ознакомление учащихся с методом Х2  который дает возможность выявить соответствие расщепления, полученного в опыте, с теоретически ожидаемым расщеплением. Ознакомить с пользованием таблицей Фишера.

Обработать результаты соотношения особей дрозофилы в своих экспериментах, исходя из теоретически ожидаемого соотношения 1:1. Проанализировать суммарные данные всей группы. Обратить внимание на значение численности особей для точности анализа. Составить схему наследования пола у дрозофилы, объясняющую полученное соотношение.

4. Свободное комбинирование двух аутосомных признаков

(Моделирование дигибридного скрещивания дрозофил) (2 ч)

Практическое  занятие

Цели занятия:

• изучить цитологические основы дигибридного расщепления;
• показать, что аутосомные признаки наследуются особями разного пола с одинаковой частотой;
• закрепить навыки работы с использованием метода х2;
• закрепить навыки решения задач на полигибридное скрещивание.

5. Определение типов гамет, фенотипов и генотипов F2 без решетки Пеннета (1ч)

Практическое  занятие

Решение задач по генотипам, в которых есть гомозиготные и гетерозиготные состояния аллелей разных генов (например, ааВвДдЕе), определить число, типы возможных у них гамет и соотношение фенотипов и генотипов при самоопылении дигибридов, тригибридов, используя математические методы.

6. Наследование признаков, сцепленных с полом (1ч)

Практическое  занятие

Цель занятия: показать, что признаки, сцепленные с полом, наследуются по типу крисс-кросс (крест-накрест), и что в F1 прямого и обратного скрещивания разные результаты.

7. Наследование сложных признаков (2 ч)

Практическое  занятие

Сложные признаки (контролируются неаллельными генами — аллелями двух и большего числа генов). Типы  взаимодействия  неаллельных  генов на примере двух генов):  комплементарность,  эпистаз,  полимерия. Решение задач, используя формулы расщепления в F 2 и в F а.

8.        Определение числа генов,
контролирующих признак (2 ч)

Практическое  занятие

Множественный аллелизм (один ген имеет не два, а больше аллельных состояний). Взаимодействие неаллельных генов (признак контролируется аллелями нескольких генов).

Циклические скрещивания (система скрещиваний организмов, которые сходны или различаются по фенотипам одного признака).

Диаллельные скрещивания (упрощенная форма циклических скрещиваний). Цель скрещиваний — определить число аллелей, контролирующих признак.

Функциональный (комплементарный) тест на аллелизм: F 1 имеет фенотип одного из Р (один ген контролирует признак), F 1 имеет фенотип дикого типа (генов два).

Пример диаллельного скрещивания.

9.        Контрольная работа (7 ч)

Решение  задач

10. Сцепленное наследование и кроссинговер (2 ч)

Практическое  занятие

Результаты расщепления в Fа при свободном комбинировании генов, при полном и неполном сцеплении генов. Вычисление процента кроссинговера. Обозначения генов при свободном комбинировании и при сцеплении генов.

Использование понятий «фаза притяжения» и «фаза отталкивания» (удобно при определении кроссоверных и некроссоверных гамет). Определение процента кроссинговера.

Определение группы сцепления (искомый ген наследуется совместно с генами той хромосомы, в которой он локализован). Установление места (локуса) искомого гена в хромосоме (по проценту кроссинговера с каждым из двух генов, локусы которых уже известны).

Решение задач (определение процента кроссинговера, определение локализации гена, построение генетических карт на основе сцепленного наследования и кроссинговера).

Определение группы сцепления с использованием линий-анализаторов.

Значение международного проекта «геном человека» в разработке новых методов работы с молекулами ДНК. Генетические, физические и секвенсовые карты хромосом человека.

11.        Цитогенетический метод (1ч)

Практическое  занятие

Кариотип и идиограмма хромосом человека. Группы хромосом. Дифференциальное окрашивание хромосом человека. Выявление аномалий в числе хромосом и установление синдрома.

12.        Генетические закономерности

в популяциях (2 ч)

Практическое занятие

Цели занятия:

• показать, что в популяции самоопылителей и самооплодотворяющихся животных возникшие в результате мутаций или скрещивания гетерозиготы в дальнейшем будут расщепляться и через ряд поколений исчезнут (такие популяции состоят из чистых линий);
• панмиктические популяции подчиняются закону Харди — Вайнберга.  Показать, какие факторы нарушают равновесие в панмиктических популяциях;
• составить модельные панмиктические популяции;
•   решить задачи.

13. Зачет (1 ч)

Рекомендуемая литература

1. Ватти К. В., Тихомирова М. М. Руководство к практическим занятиям по генетике. — М.: Просвещение, 1979.

2. Орлова Н. Н. Генетический анализ. — М.: Изд-во МГУ, 1991.

З. Орлова Н. Н. и др. Сборник задач по генетике. — М.: Изд-во МГУ, 2001.

4.  Петросова Р. А. Основы генетики. — М.: Дрофа, 2005.
5.  Сойфер В. Н. Международный проект «Геном человека» //
   Соросовский образовательный журнал. — 1998. — № 12.
6.  Стволинская Н. С. Истоки и перспективы международной
   программы «Геном человека» // Биология в школе. —
   2002. - № 2.