4.2基因表达与性状的关系（教学设计）生物人教版必修2

该高中生物学教学设计聚焦“基因表达与性状的关系”核心内容，涵盖基因控制性状的两种方式、基因选择性表达与细胞分化、表观遗传等要点。通过水毛茛叶形差异情景导入，衔接上一节基因指导蛋白质合成知识，搭建“基因-蛋白质-性状”的学习支架。 该资料以实例分析法为特色，通过皱粒豌豆、囊性纤维化等案例帮助学生区分基因控制性状的直接与间接方式，结合鸡细胞DNA和mRNA检测数据培养科学思维，柳穿鱼和小鼠案例具象化表观遗传概念，联系吸烟影响甲基化强化态度责任。助力学生建立生命观念，为教师提供清晰教学路径与丰富实例资源。

第 4 章 基因的表达 第2节　基因表达与性状的关系 年级 高一年级 授课时间 1课时 课题 第2节　基因表达与性状的关系 教材分析 本节课是必修2第4章第2节"基因表达与性状的关系"的核心内容。在上一节学习了基因指导蛋白质的合成（转录和翻译）之后，本节进一步探究基因如何通过控制蛋白质的合成来影响生物体的性状。本节课主要包括三个核心部分： 1.基因表达产物与性状的关系：通过皱粒豌豆、白化病、囊性纤维化、镰状细胞贫血等实例，分析基因控制性状的两种方式。 2.基因的选择性表达与细胞分化：通过鸡的输卵管细胞、红细胞和胰岛细胞的对比，理解基因的选择性表达和细胞分化的本质。 3.表观遗传：通过柳穿鱼花形态和小鼠毛色的遗传实例，理解表观遗传的概念、特点和调控机制。 本节课是对基因表达功能的深入探讨，帮助学生建立基因、蛋白质和性状之间的完整联系，理解基因表达调控的复杂性，为后续学习生物进化、基因工程等内容奠定基础。 学情分析 【已有知识基础】 1.已掌握基因指导蛋白质合成的过程（转录和翻译）。 2.了解DNA的结构和功能。 3.对细胞分化和生物性状有基本认识。 4.具备一定的遗传学知识基础。 【可能存在的学习困难】 1.基因控制性状的两种方式区分不清：学生容易混淆直接控制和间接控制的实例和机制。 2.基因选择性表达理解困难：难以理解为什么不同细胞含有相同的基因却表达不同的蛋白质。 3.表观遗传概念抽象：DNA甲基化等概念较为抽象，学生难以理解其机制和意义。 4.基因与性状的复杂关系：学生容易形成"一个基因决定一个性状"的简单化认识。 5.环境对性状的影响：水毛茛的例子说明环境也会影响性状，学生难以理解基因与环境的相互作用。 【教学策略】 1.采用实例分析法，通过具体案例引导学生归纳基因控制性状的两种方式。 2.设计对比表格，明确不同细胞中基因表达的差异。 3.利用动画演示DNA甲基化等表观遗传机制。 4.通过资料分析，引导学生理解基因与性状的复杂关系。 5.联系实际生活（如吸烟对DNA甲基化的影响），激发学习兴趣。 教学目标 【知识目标】 1.理解基因表达产物与性状的关系 2.掌握基因控制生物性状的两种方式 3.理解基因的选择性表达与细胞分化的关系 4.掌握表观遗传的概念、特点和调控机制 5.理解基因与性状之间不是简单的一一对应关系 【素养目标】 1.生命观念：理解基因与生物性状的关系，认识基因表达的调控机制，形成遗传信息决定性状、性状是基因与环境共同作用的结果的生命观念。 2.科学思维：通过分析基因控制性状的实例，培养归纳概括和逻辑推理能力；能够运用表观遗传的知识解释一些遗传现象。 3.科学探究：能够分析实验数据，理解基因的选择性表达；能够设计简单实验验证基因表达与性状的关系。 4.社会责任: 认识环境因素（如吸烟）对基因表达的影响，形成健康生活的意识；理解表观遗传研究在医学、农业等领域的应用价值。。 教学重、难点 【教学重点】 1.基因控制性状的两种方式 2.细胞分化的本质——基因的选择性表达 3.表观遗传的概念和调控机制 【教学难点】 1.基因通过控制酶的合成控制代谢过程 2.基因通过控制蛋白质结构直接控制性状 3.表观遗传的调控机制（DNA甲基化、组蛋白修饰等） 4.基因与性状之间的复杂关系 教学过程 教学内容 教师活动 学生活动 新课导入 【情景材料】 同一株水毛茛，裸露在空气中的叶和浸在水中的叶，表现出了两种不同的形态。 【讨论】 1.这两种形态的叶，其细胞的基因组成一样吗？ 2．这两种叶形的差异，可能是由什么因素引起的？ 引出课题：基因指导蛋白质的合成 阅读资料，思考并回答问题。 明确本节课探究主题。 一、基因表达产物与性状的关系 【探究活动1】阅读课本p71-72 思考·讨论， 小组合作完成任务。 讨论: (1)请尝试从基因角度分析皱粒豌豆的形成机制 (2)基于皱粒豌豆的形成机制，说明基因是如何控制生物体的性状？ (3)除皱粒豌豆外，还有哪些相同的实例？ (4)请尝试从基因角度分析囊性纤维化的形成机制 (5)基于囊性纤维化的形成机制，说明基因是如何控制生物体的性状？ (6)除囊性纤维化外，还有哪些相同的实例？ 【知识讲解】一、基因表达产物与性状的关系 皱粒豌豆的形成机制: 白化症状的形成机制: 基因控制生物体的性状的方式: (1)方式一: 基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物体的性状。 (2)实例: 白化病、皱粒豌豆、苯丙酮尿症 囊性纤维化: 囊性纤维化是北美白种人中常见的一种遗传病，患者支气管被异常的黏液堵塞，常于幼年时死于肺部感染。 囊性纤维化的形成机制: 镰状细胞贫血的形成机制: 基因控制生物体的性状的方式: (1)方式二：基因还能通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。 (2)实例: 囊性纤维化、镰状细胞贫血 阅读课本，思考并回答问题。 认真听讲，做笔记。 二、基因的选择性表达与细胞分化 【探究活动2】阅读课本p72思考·讨论，小组合作完成任务。 思考·讨论: 分析不同类型细胞中DNA和mRNA的检测结果 讨论： (1) 3种细胞中合成的蛋白质种类有 什么差别？ (2) 3种细胞中的DNA都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因和胰岛素基因，但只检测到其中一种基因的mRNA，这一事实说明了什么？ 【知识讲解】 科学家研究发现，细胞中的基因有些表达，有些不表达。 (1)表达的基因的种类: (2)细胞分化的本质:基因的选择性表达➡基因的选择性表达与基因表达的调控有关。 阅读课本，思考并回答问题。 认真听讲，做笔记。 三、表观遗传 【探究活动2】阅读课本p73思考·讨论，小组合作完成任务。 思考·讨论: 柳穿鱼花的形态结构和小鼠毛色的遗传 资料2: 讨论： 1．上述资料中，柳穿鱼和小鼠性状改变的原因是什么？ 2. 资料1和资料2展示的遗传现象有什么共同点？ 【知识讲解】 表观遗传: (1)概念:生物体基因的碱基序列保持不变，但基因表达和表型发生可遗传变化的现象。 (2)特点: ①可遗传性:即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在细胞个体间遗传。 ②可逆性的基因表达:如甲基化时，可影响基因的表达；去甲基化时，可恢复基因的表达。 ③DNA碱基序列不发生改变。 (3)常见的调控机制 ① DNA甲基化修饰 ②非编码RNA干扰(例如miRNA) ③组蛋白甲基化 ④组蛋白乙酰化 【与社会的联系】 有研究表明，吸烟会使人的体细胞内DNA的甲基化水平升高，对染色体上的组蛋白也会产生影响。不仅如此，还有研究发现，男性吸烟者的精子活力下降，精子中DNA的甲基化水平明显升高。 基因与性状间的对应关系: 注意：基因与性状并不是简单的一一对应的关系 生物的表型＝基因型＋环境 基因与基因、基因与基因表达产物、基因与环境之间存在着复杂的相互作用，这种相互作用形成了一个错综复 杂的网络，精细地调控着生物体的性状。 阅读课本，思考并回答问题。 认真听讲，做笔记。 【习题巩固】 1．豌豆的圆粒和皱粒是一对相对性状。研究发现，控制圆粒豌豆的基因序列中插入了一段外源DNA序列，导致合成的淀粉分支酶缺失61个氨基酸，活性大大降低，使细胞内淀粉含量减少，最终使豌豆失水而皱缩。下列叙述错误的是（ ） A．控制豌豆圆粒和皱粒性状的基因属于等位基因 B．皱粒豌豆的产生是控制淀粉分支酶的基因突变所致 C．该实例表明基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物性状 D．相比于圆粒基因，皱粒基因转录出的mRNA上终止密码子可能提前出现 【答案】C 【详解】 A、等位基因是指位于同源染色体相同位置控制一对相对性状的基因，豌豆的圆粒和皱粒是一对相对性状，且控制豌豆圆粒和皱粒的基因位于同源染色体的相同位置，A正确； B、皱粒性状是由基因中插入外源DNA序列（属于基因结构的改变）引起的，属于基因突变中的增添，B正确； C、该实例中，基因突变导致淀粉分支酶氨基酸序列缺失（蛋白质结构改变），进而影响酶活性，属于基因通过控制酶的合成控制生物的代谢进而控制生物的性状，C错误； D、控制圆粒豌豆的基因序列中插入了一段外源DNA序列，使原本编码氨基酸的密码子变为终止密码子，或使终止密码子提前出现，导致翻译提前终止，导致合成的淀粉分支酶缺失61个氨基酸，D正确。 故选C。 2．某基因在表达过程中，其mRNA需要被甲基化修饰且与蛋白Y结合后才能正常表达，否则其mRNA将被降解。下列叙述错误的是（ ） A．RNA聚合酶识别并结合DNA中的启动子解开双螺旋 B．多个核糖体沿着mRNA的5'→3'方向移动加快翻译效率 C．mRNA的甲基化改变碱基排列顺序从而抑制基因表达 D．蛋白Y可在翻译水平上调控基因的表达 【答案】C 【详解】 A、RNA聚合酶识别并结合DNA启动子区域，解开DNA双螺旋启动转录过程，A正确； B、多个核糖体结合于同一条mRNA链上，沿5'→3'方向移动进行多肽链合成，可提高翻译效率，B正确； C、甲基化是表观遗传的一种，表观遗传不改变基因的碱基序列，C错误； D、蛋白Y通过与甲基化mRNA结合，防止其降解并促进翻译，属于翻译水平的调控（即影响mRNA的稳定性或翻译活性），D正确。 故选C。 3．工蜂与蜂王均是由受精卵发育而来，因幼虫期食物不同导致两者具有不同的DNA甲基化特征。遗传学上把这种现象叫作（ ） A．基因突变 B．染色体变异 C．表观遗传 D．伴性遗传 【答案】C 【详解】表观遗传是指基因的碱基序列保持不变，但基因表达和表型发生可遗传变化的现象，如DNA甲基化，题干中工蜂与蜂王均是由受精卵发育而来，但因幼虫期食物不同导致两者具有不同的DNA甲基化特征，属于表观遗传，C符合题意，ABD不符合题意。 故选C。 4．与正常开花型相比，菊花晚花型M基因的启动子甲基化程度较低，表达水平较高。M基因表达产物可促进开花基因启动子甲基化。下列分析合理的是（　　） A．两种类型菊花M基因碱基序列不同 B．甲基化抑制开花基因表达的翻译过程 C．基因甲基化引起的性状改变不会遗传给子代 D．M基因甲基化程度升高有利于开花基因表达 【答案】D 【详解】 A、两种菊花M基因碱基序列相同，差异仅在于启动子甲基化程度（表观遗传修饰），A错误； B、启动子甲基化通过影响RNA聚合酶结合抑制转录过程，B错误； C、基因甲基化引起的性状改变可通过配子遗传给子代，C错误； D、M 基因甲基化程度升高 → M 基因表达水平降低 → 其表达产物减少 → 对开花基因启动子的甲基化促进作用减弱 → 开花基因启动子甲基化程度降低 → 开花基因表达增强，有利于开花，D正确。 故选D。 5．下列有关表观遗传的叙述，错误的是（ ） A．表观遗传在一定的条件下才能遗传给后代 B．基因中碱基甲基化不会改变基因中核苷酸的排列顺序 C．若双链DNA中甲基化的C占20%，则单链中T占比不超过60% D．启动子甲基化可能影响RNA聚合酶对其识别，从而直接影响翻译 【答案】D 【详解】 A、表观遗传是基因碱基序列不发生改变的前提下出现的可遗传表型变化，其甲基化等修饰模式需要在特定条件下才能传递给后代，A正确； B、碱基甲基化仅为碱基上连接甲基的化学修饰，不会改变基因中核苷酸的排列顺序（即碱基序列），这是表观遗传的核心特征之一，B正确； C、双链DNA遵循碱基互补配对原则，C与G数量相等，甲基化的C占总碱基20%，说明总C（含甲基化C）占比≥20%，因此C+G总占比≥40%，A+T总占比≤60%；单链中A+T的占比与双链一致，因此单链中T的占比最高为60%（单链不含A时），即不超过60%，C正确； D、启动子是RNA聚合酶识别结合以启动转录的序列，因此启动子甲基化影响RNA聚合酶识别，直接影响的是转录过程而非翻译，翻译是以mRNA为模板合成蛋白质的过程，D错误。 故选D。 6．浙江大学有学者揭示了拟南芥叶片衰老的表观遗传调控机制，去甲基化酶在拟南芥叶片衰老过程中上调表达。下列相关叙述错误的是（ ） A．DNA去甲基化不改变遗传信息 B．衰老的叶片细胞中细胞自噬现象加强 C．叶片衰老相关基因的甲基化水平与转录水平呈正相关 D．抑制叶片中去甲基化酶的活性有利于提高农作物产量 【答案】C 【详解】 A、DNA去甲基化仅移除DNA上连接的甲基基团，不改变DNA的碱基排列顺序，而遗传信息由碱基排列顺序决定，因此去甲基化不改变遗传信息，A正确； B、衰老的叶片细胞会通过细胞自噬清除受损细胞器、错误折叠的大分子等物质，因此衰老叶片细胞中细胞自噬现象加强，B正确； C、DNA甲基化会阻碍RNA聚合酶与基因启动子的结合，抑制基因转录，因此基因甲基化水平越高，转录水平越低，二者呈负相关，C错误； D、抑制叶片中去甲基化酶的活性，会使叶片衰老相关基因的甲基化水平升高，抑制衰老相关基因的表达，延缓叶片衰老，延长叶片光合作用时长，有利于提高农作物产量，D正确。 故选C。 7．研究发现，某种细菌在缺乏氨基酸的环境中，会启动“严谨反应”:细胞产生ppGpp（鸟苷四磷酸），ppGpp能结合RNA聚合酶迅速抑制核糖体RNA、核糖体蛋白等生长相关基因的转录，同时激活某些氨基酸合成酶基因的转录，这一调节机制属于（ ） A．转录水平的调控，使基因选择性表达 B．翻译水平的调控，影响蛋白质的合成速率 C．表观遗传调控，通过DNA甲基化实现 D．反馈调节，完全由最终产物含量控制 【答案】A 【详解】 A、题干明确说明ppGpp通过结合RNA聚合酶，直接调控不同基因的转录过程，使生长相关基因转录被抑制、氨基酸合成酶基因转录被激活，属于转录水平的调控，实现了基因的选择性表达，A正确； B、翻译水平调控是作用于以mRNA为模板合成蛋白质的阶段，本题中ppGpp直接作用于转录过程，未直接影响翻译，B错误； C、表观遗传的常见机制为DNA甲基化、组蛋白修饰等，本题中是ppGpp结合RNA聚合酶调控转录，与DNA甲基化无关，不属于表观遗传调控，C错误； D、该调节由环境中氨基酸缺乏启动，且“完全由最终产物含量控制”表述过于绝对，且该调节的核心类型不属于反馈调节，D错误。 故选A。 8．有研究表明，吸烟会使人的体细胞内DNA的甲基化水平升高，对染色体上的组蛋白也会产生影响。还有研究发现，男性吸烟者的精子活力下降，精子中DNA的甲基化水平明显升高。下列相关分析正确的是（ ） A．基因甲基化后，因其碱基序列发生改变导致编码的蛋白质也发生改变 B．该研究说明环境因素可通过影响表观遗传修饰来调控基因表达 C．吸烟导致精子中DNA的甲基化水平明显升高只对自身有影响，不会遗传给孩子 D．构成染色体的组蛋白发生甲基化、乙酰化等修饰不会影响基因的表达 【答案】B 【详解】 A、基因甲基化属于表观遗传修饰，该过程不改变DNA的碱基序列，但可能通过影响启动子区域活性抑制基因转录，导致相关蛋白质合成受阻。甲基化不涉及碱基序列改变，A错误； B、吸烟（环境因素）可提高体细胞和精子中DNA甲基化水平，表明环境可通过改变表观遗传修饰（如甲基化）调控基因表达，B正确； C、精子中DNA甲基化水平升高可能影响精子功能，且表观遗传修饰可通过配子传递给子代（如印记基因的跨代遗传），因此可能影响后代基因表达，C错误； D、组蛋白的甲基化、乙酰化等修饰会改变染色质结构（如使染色质松散或凝集），直接调控基因的转录活性，D错误。 故选B。 做习题，巩固知识。 课堂小结 板书设计 第2节 基因表达与性状的关系 一、基因控制性状的两种方式 1. 间接控制：通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制性状 实例：皱粒豌豆（淀粉分支酶）、白化病（酪氨酸酶）、苯丙酮尿症 2. 直接控制：通过控制蛋白质的结构直接控制性状 实例：囊性纤维化（CFTR蛋白）、镰状细胞贫血（血红蛋白） 二、基因的选择性表达与细胞分化 1. 管家基因：所有细胞都表达（呼吸酶基因、核糖体蛋白基因） 2. 奢侈基因：特定细胞表达（血红蛋白基因、胰岛素基因） 3. 细胞分化的本质：基因的选择性表达 三、表观遗传 1. 概念：基因碱基序列不变，但基因表达和表型发生可遗传变化 2. 特点：可遗传性、可逆性、DNA序列不变 3. 调控机制：DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA干扰 4. 实例：柳穿鱼花形态、小鼠毛色 四、基因与性状的复杂关系 1. 一个基因→一种性状（基因特异性） 2. 多个基因→一种性状（多基因效应，如身高） 3. 一个基因→多种性状（基因多效性，如Ghd7基因） 4. 生物的表型 = 基因型 + 环境（如水毛茛） 课后作业 1．一个蜂群中，受精卵孵化的幼虫若用蜂王浆饲喂会发育成蜂王，而用花粉和花蜜饲喂则发育成工蜂。若降低基因组甲基化水平，饲喂花粉和花蜜的雌蜂幼虫也能发育成蜂王。下列叙述错误的是（　　） A．蜂王和工蜂的表观修饰水平不同 B．蜂王和工蜂的表型只由食物决定 C．蜂王和工蜂体内的蛋白质组成不同 D．蜂王和工蜂体细胞的染色体数目相同 【答案】B 【详解】 A、蜂王和工蜂的表观修饰水平不同，因降低甲基化可使工蜂发育为蜂王，A正确； B、表型是基因型和环境共同作用的结果，蜂王和工蜂的表型除受食物等环境因素影响，还受自身基因型、表观修饰的调控，B错误； C、蜂王和工蜂的表观修饰存在差异，基因的表达情况不同，因此体内合成的蛋白质组成存在差异，C正确； D、蜂王和工蜂均由受精卵发育而来，二者体细胞的染色体数目相同，D正确。 2．FTO蛋白能够去除N基因mRNA上的甲基化修饰，这使得mRNA不会被Y蛋白识别并降解，从而保持了mRNA的稳定性，进而促进N基因的表达。N基因的表达产物（蛋白质）能够提高鱼类的抗病能力。下列叙述错误的是（    ） A．N基因mRNA甲基化会影响N基因的表达 B．促进FTO基因或Y基因的表达均能提高鱼类的抗病能力 C．N基因mRNA发生甲基化会使其容易被Y蛋白识别并被降解 D．FTO蛋白能去除N基因mRNA上的甲基化，但不会改变其碱基序列 【答案】B 【详解】 A、N基因mRNA甲基化后会被Y蛋白识别降解，无法进行翻译过程，因此会影响N基因的表达，A正确； B、促进FTO基因表达可增强mRNA稳定性，从而提高N基因表达和抗病能力；但促进Y基因表达会加速甲基化mRNA的降解，降低N基因表达，从而减弱抗病能力，B错误； C、依据题干信息可知，mRNA的甲基化会被Y蛋白识别并降解，因此N基因mRNA甲基化会使其稳定性下降，容易被降解，C正确； D、甲基化是不改变碱基序列的表观遗传修饰，因此FTO蛋白去除甲基化的过程也不会改变mRNA的碱基序列，D正确。 3．组蛋白乙酰转移酶（HAT）和组蛋白去乙酰化酶（HDAC）分别调控组蛋白的乙酰化与去乙酰化过程。下列叙述正确的是（　　） A．HAT和HDAC作用的底物不同 B．HAT能促进DNA和组蛋白的结合 C．HDAC活性增强会促进基因的转录 D．该调控过程会改变DNA分子的碱基序列 【答案】A 【详解】 A、HAT催化组蛋白乙酰化，HDAC催化组蛋白去乙酰化，二者催化的过程不同，因而底物也不同，A正确； B、组蛋白乙酰化会降低组蛋白与DNA的亲和力，使染色质结构松散（常染色质状态），利于转录因子结合。因此HAT促进乙酰化会减弱DNA与组蛋白的结合，B错误； C、HDAC催化去乙酰化，使组蛋白带正电荷增强，与带负电的DNA紧密结合，抑制基因转录，C错误； D、组蛋白乙酰化/去乙酰化属于表观遗传修饰，不改变DNA碱基序列，D错误。 故选A。 教学反思 成功之处与预期效果 1.实例分析法效果显著：通过皱粒豌豆、白化病、囊性纤维化等具体案例，学生深入理解了基因控制性状的两种方式。 2.资料分析培养能力：鸡细胞中DNA和mRNA的检测数据分析，培养了学生的科学思维和数据分析能力。 3.表观遗传概念突破：通过柳穿鱼和小鼠的具体案例，帮助学生理解了抽象的表观遗传概念。 4.联系实际增强兴趣：吸烟对表观遗传的影响等内容，增强了学生的学习兴趣和社会责任感。 实施难点与应对策略 1.两种控制方式区分不清：策略：制作对比表格；通过实例强化；总结关键词（酶→代谢；蛋白质结构→直接）。 2.基因选择性表达理解困难：策略：用比喻帮助理解（管家基因如家庭常备物品，奢侈基因如特殊工具）；通过表格数据直观对比。 3.表观遗传概念抽象：策略：用动画演示DNA甲基化过程；通过柳穿鱼和小鼠案例具体说明；强调"碱基序列不变"这一关键点。 4.基因与性状的复杂关系：策略：用实例说明多基因效应（身高）和基因多效性（Ghd7）；强调基因与环境的相互作用。 改进建议 1.开发表观遗传虚拟实验室，供学生课后探索DNA甲基化等过程。 2.制作基因控制性状实例微课，帮助学生区分两种控制方式。 3.设计分层练习题，满足不同层次学生的学习需求。 4.收集学生常见错误，编制针对性训练材料。 5.开展"表观遗传与健康"主题讨论，增强学习实用性。 / 学科网（北京）股份有限公司 $