2021高考生物人教版一轮教师用书第七单元第23讲　从杂交育种到基因工程

第23讲　从杂交育种到基因工程

考点一　杂交育种和诱变育种

1.杂交育种

(1)概念:将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起,再经过选择和培育,获得新品种的方法。

(2)过程

①培育杂合子品种

选取符合要求的纯种双亲杂交(♀×♂)→F1(即为所需品种)。

②培育隐性纯合子品种

选取符合要求的双亲杂交(♀×♂)→F1F2→选出表现型符合要求的个体种植并推广。

③培育显性纯合子品种

a.植物:选择具有不同优良性状的亲本杂交,获得F1→F1自交→获得F2→鉴别选择需要的类型,连续自交、逐代筛选至不再发生性状分离为止。

b.动物:不同于植物的方面主要在于从获得的F2中选育出需要类型与隐性类型测交,以鉴定其基因型。

(3)优良性状的选择

①若采用杂交育种,一般应从F2开始进行筛选,原因是F2开始出现性状分离。

②若采用单倍体育种,对优良性状的选择应在秋水仙素处理之后(填“前”或“后”),原因是秋水仙素处理之前为单倍体;一般植株弱小,不表现出优良性状。

(4)优点:操作简便,可以把多个品种的优良性状集中在一起。

(5)缺点:获得新品种的周期长。

2.诱变育种

(1)原理:基因突变。

(2)过程

(3)优点

①可以提高突变率,在较短时间内获得更多的优良变异类型。

②大幅度地改良某些性状。

(4)缺点:有利变异个体往往不多,需要处理大量材料。

3.生物育种的原理、方法及实例[连线]

提示:①—a—Ⅴ　①—e—Ⅲ　②—c—Ⅰ　③—b—Ⅱ　③—d—Ⅳ

[纠误诊断]

(1)抗虫小麦与矮秆小麦杂交,通过基因重组可获得抗虫矮秆小麦。(　√　)

(2)杂合抗病植株连续自交若干代,纯合抗病植株的比例逐代降低。(　×　)

提示:杂合子自交,随自交代数增加,纯合抗病植株的比例逐渐增大。

(3)通过花药离体培养可获得抗锈病高产小麦新品种。(　×　)

提示:获得抗锈病高产小麦新品种的方法是杂交育种,花药离体培养只能获得单倍体植株。

(4)诱变育种和杂交育种均可形成新基因。(　×　)

提示:杂交育种只能产生新的基因型,不能产生新基因。

(5)用二倍体西瓜给四倍体西瓜授粉,则四倍体植株上结出的西瓜无子。(　×　)

提示:用二倍体西瓜给四倍体西瓜授粉,则四倍体植株上结出的西瓜有子。

1.根据育种程序图识别育种名称和过程

(1)识别图解中各字母表示的处理方法:A—杂交,D—自交,B—花药离体培养,C—秋水仙素处理,E—诱变处理,F—秋水仙素处理,G —转基因技术,H—脱分化,I—再分化,J—包裹人工种皮。

(2)根据以上分析可以判断:“亲本新品种”为杂交育种,“亲本新品种”为单倍体育种,“种子或幼苗新品种”为诱变育种,“种子或幼苗新品种”为多倍体育种,“植物细胞新细胞愈伤组织胚状体人工种子新品种”为基因工程育种。

2.依据育种目的选择合适的育种方法

(1)集中不同亲本的优良性状

①一般情况下,选择杂交育种,这也是最简捷的方法;

②需要缩短育种年限(快速育种)时,选择单倍体育种。

(2)培育果实较大或植株较大或营养物质含量较高的新物种——多倍体育种。

(3)提高突变率,“改良”“改造”或“直接改变”现有性状,获得当前不存在的基因或性状——诱变育种。

(4)若要培育隐性性状个体,可选择自交或杂交育种,只要出现该性状即可。

(5)实现定向改变现有性状——基因工程育种。

题型一　育种原理、过程及方法等

1.研究人员在柑橘中发现一棵具有明显早熟特性的变异株,决定以此为基础培育早熟柑橘新品种。请回答下列问题:

(1)要判断该变异株的育种价值,首先要确定它的　　　　物质是否发生了变化。 

(2)在选择育种方法时,需要判断该变异株的变异类型。如果变异株是个别基因的突变体,则可采用育种方法①,使早熟基因逐渐　　　　,培育成新品种1。为了加快这一进程,还可以采集变异株的　　　　进行处理,获得高度纯合的后代,选育成新品种2,这种方法称为　　　　育种。 

(3)如果该早熟植株属于染色体组变异株,可以推测该变异株减数分裂中染色体有多种联会方式,由此造成不规则的染色体分离,产生染色体数目不等、生活力很低的　　　　,因而得不到足量的种子。即使得到少量后代,早熟性状也很难稳定遗传。这种情况下,可考虑选择育种方法③,其不足之处是需要不断制备　　　　,成本较高。 

(4)新品种1与新品种3均具有早熟性状,但其他性状有差异,这是因为新品种1选育过程中基因发生了多次　　　　,产生的多种基因型中只有一部分在选育过程中保留下来。 

解析:(1)育种的目的是获得人类所需要的有价值的性状,只有由遗传物质改变引起性状改变的变异才能遗传下去,即可遗传变异才具有育种价值。

(2)方法①是自交,连续自交过程中,早熟基因逐渐纯合,培育成新品种1。单倍体育种能明显缩短育种年限,可先通过花药离体培养,再用秋水仙素处理单倍体幼苗。

(3)若是由染色体组数目改变引起的变异,则该变异株减数分裂时联会紊乱,从而造成不规则的染色体分离,产生染色体数目不等、生活力很低的异常配子,只有极少数配子正常,故只能得到少量的种子。方法③需要先进行植物组织培养获得柑橘苗,此过程操作复杂、成本较高。

(4)在新品种1的选育过程中,连续自交使早熟性状相关基因与其他性状相关基因发生了多次重组。而在植物组织培养过程中不发生基因重组。

答案:(1)遗传　(2)纯合　花药　单倍体　(3)配子　组培苗　(4)重组

题型二　育种方案的选择与设计

2.(2019·福建福州模拟)玉米(2n=20)是我国种植面积最大的作物。在遗传学及农作物育种上具有极大的研究价值。

(1)玉米作为遗传学实验材料的优点有 　           。 

(2)欲测定玉米基因组的序列,需对　　　　条染色体进行DNA测序。 

(3)单倍体玉米在　　　　分裂过程中染色体无法联会,导致配子中无完整的　　　　　　。 

(4)在生产中使用的玉米品种,都是具有优良性状的杂合子,现有长果穗白粒和短果穗黄粒品种,请设计快速的育种方案以实现长期培育长果穗黄粒品种的目的(长果穗对短果穗是显性,用H、h表示相关基因。黄粒对白粒是显性,用F、f表示相关基因)。

解析:(1)玉米具有材料易获得、生长周期短、易于去雄、子代多、相对性状易于区分等优点,因此常常作为遗传学的实验材料。

(2)玉米是雌雄同株植物,测定玉米基因组的序列时,需对10条染色体进行DNA测序。

(3)单倍体玉米没有同源染色体,因此在减数分裂过程中无法联会,导致配子中无完整的染色体组。

(4)已知玉米品种都是具有优良性状的杂合子,则该实验的目的是利用长果穗白粒(Hhff)和短果穗黄粒(hhFf)品种,获得长果穗黄粒(HhFf)品种,若要达到长期培育长果穗黄粒品种的目的,应该先获得HHff和hhFF品种,具体实验方案如下:

①分别种植长果穗白粒(Hhff)、短果穗黄粒(hhFf)玉米,性成熟后,分别取其花药,离体培养至单倍体幼苗,然后用秋水仙素处理得到二倍体纯合子,分别自交,选择长果穗白粒(HHff)、短果穗黄粒(hhFF)玉米分别留种。

②分别种植长果穗白粒(HHff)、短果穗黄粒(hhFF)玉米,选择一部分玉米进行杂交,获得长果穗黄粒(HhFf)的杂合子品种。

③剩余的另一部分玉米进行自交,获得长果穗白粒(HHff)、短果穗黄粒(hhFF)玉米分别留种。

答案:(1)材料易获得、生长周期短、易于去雄、子代多、相对性状易于区分等　(2)10　(3)减数　染色体组　(4)①分别种植长果穗白粒(Hhff)、短果穗黄粒(hhFf)玉米,性成熟后,分别取其花药,离体培养至单倍体幼苗,然后用秋水仙素处理得到二倍体纯合子,分别自交,选择长果穗白粒(HHff)、短果穗黄粒(hhFF)玉米分别留种。②分别种植长果穗白粒(HHff)、短果穗黄粒(hhFF)玉米,选择一部分玉米进行杂交,获得长果穗黄粒(HhFf)的杂合子品种。③剩余的另一部分玉米进行自交,获得长果穗白粒(HHff)、短果穗黄粒(hhFF)玉米分别留种。

考点二　基因工程及应用

1.概念

按照人们的意愿,把一种生物的某种基因提取出来,加以修饰改造,然后放到另一种生物的细胞里,定向地改造生物的遗传性状。

2.工具

(1)基因的“剪刀”与“针线”(如图)

①基因的“剪刀”:限制酶,如图中b。

②基因的“针线”:DNA连接酶,如图中a。

(2)基因的“运输工具”:运载体,常用质粒、噬菌体、动植物病毒等。

3.基因操作的基本步骤

提取目的基因→目的基因与运载体结合→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定。

4.基因工程的应用

(1)

(2)

(3)环境保护:利用转基因细菌降解有毒有害的化合物,吸收环境中的重金属,分解泄漏的石油,处理工业废水等。

5.转基因生物和转基因食品的安全性

[纠误诊断]

(1)DNA连接酶是把两个具有相同末端的DNA片段通过氢键连接起来。(　×　)

提示:DNA连接酶是把两个具有相同末端的DNA片段通过磷酸二酯键连接起来。

(2)能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是基因工程育种。(　√　)

(3)常使用的运载体有大肠杆菌、噬菌体和动植物病毒等。(　×　)

提示:常使用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。

(4)通常用一种限制酶处理含目的基因的DNA,用另一种处理运载体DNA。(　×　)

提示:基因工程中,通常用同一种限制酶切割目的基因和质粒,以形成相同的黏性末端。

(5)人们常选用的细菌质粒分子往往至少带有一个抗菌素抗性基因,其主要作用是有利于对目的基因是否导入受体细胞进行检测。(　√　)

限制酶种类的确定

(1)根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类

①应选择切点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择PstⅠ。

②不能选择切点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择SmaⅠ。

③为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,如图甲也可选择用PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的酶切位点)。

(2)根据质粒的特点确定限制酶的种类

①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶相一致,以确保具有相同的黏性末端。

②质粒作为运载体必须具备标记基因等,所以选择的限制酶不要破坏这些结构,如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因(Ampr);若所选限制酶的切点不止一个,则切割重组后可能丢失某些片段,若丢失的片段含复制起点区,则切割重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制。

[深度思考]

(1)若图中将质粒运载体和含目的基因的DNA片段只用 PstⅠ酶切割,酶切产物再加入DNA连接酶,其中由两个DNA片段之间连接形成的产物有几种?分别是什么?

提示:3种。质粒运载体—质粒运载体连接物;目的基因—目的基因连接物;质粒运载体—目的基因连接物。

(2)若将上面题目中的PstⅠ酶改用PstⅠ和EcoRⅠ酶切割,结果又会怎样?

提示:1种。质粒运载体—目的基因连接物。

题型　基因工程的原理及应用

干扰素是一种糖蛋白,过去从人的血液中的白细胞中提取,产量很低。我国的科研人员侯云院士等一批人,成功运用基因工程技术提高了其产量,如图为其原理过程图。请据图回答下面的问题:

(1)图中①过程叫做　　　　　　　　。 

(2)图中③物质的化学本质是　　　　　　　　,它之所以能作为运载体,必须具备的条件是　 

　　　　　　　　　　　　　　　(任写出两点即可)。 

(3)切割②和③过程所需的酶一般是相同的,其原因是　。 

(4)该过程中,供体细胞是　　　　　　,受体细胞是　　　　(填字母),重组DNA分子是　　　　(填序号)。 

(5)大肠杆菌等微生物是基因工程最常用的实验材料,这是因为 

(任写出两点即可)。

(6)人的干扰素基因能在大肠杆菌内表达,其根本原因是　        。 

解析:图中①②为目的基因的提取过程,采用的方法为酶切法;图中③为从大肠杆菌中提取的质粒;④表示重组DNA分子;切割②和③过程所需的酶叫限制酶,所用的酶相同,产生的黏性末端也相同,便于构建重组DNA分子。在该过程中,供体细胞是人的体细胞,受体细胞是大肠杆菌b,选择大肠杆菌作为受体细胞是因为其繁殖快、结构简单、其内的遗传物质少。人的基因能在大肠杆菌中表达是由于它们共用一套密码子。

答案:(1)提取目的基因

(2)双链环状DNA分子(或DNA分子)　具有一个至多个限制酶切割位点、在细胞中能够自主复制、有特殊的标记基因等

(3)为了产生相同的黏性末端

(4)人的体细胞　b　④

(5)大肠杆菌结构简单、繁殖快、其内的遗传物质少

(6)它们共用一套密码子

 [构建知识网络]

 [强化思维表达]

1.诱变育种时突变的个体中有害个体多于有利个体。

2.诱变育种能产生前所未有的新基因,创造变异新类型。

3.杂交育种能将多个优良性状集中到同一生物个体上。

4.杂合子品种的种子只能种一年,需要年年制种。

5.一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列并在特定的切点上切割DNA分子。

6.基因工程育种能定向改造生物性状。