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2019-2020年高中生物第三節(jié)染色體變異及其應(yīng)用第3課示范教案 蘇教版 課件展示： 無子西瓜圖片資料 師:無子西瓜由于沒有種子，而且，果實(shí)大，含糖量高，很受人們的歡迎。 師:無子西瓜為什么沒有種子呢？ 學(xué)生活動：觀察、討論、分析、交流。 生甲:是因?yàn)闊o子西瓜沒有受粉。 生乙:可能是用一定濃度的生長素溶液處理西瓜的柱頭。 生丙:可能是無子西瓜的受精卵沒有發(fā)育。 …… 師:無子西瓜是利用染色體變異的原理培育成功的。無子西瓜是如何培育成功的呢？ 　板　書： 三、染色體變異在育種上的應(yīng)用 師:染色體變異包括哪些方面？ 生:染色體變異包括染色體結(jié)構(gòu)的變異和染色體數(shù)目的變異。 師:染色體數(shù)目變異包括哪幾種類型？ 生:染色體數(shù)目變異包括非整倍性變異、一倍性變異和多倍性變異。 師:染色體變異在育種上具有廣泛的應(yīng)用。特別是單倍體育種和多倍體育種。 教師活動：利用多媒體展示單倍體水稻植株。并講述：單倍體水稻植株長得十分弱小，而且，高度不育。 師:單倍體水稻在生產(chǎn)上有沒有利用價(jià)值？為什么？ 生:單倍體水稻在生產(chǎn)上沒有利用價(jià)值。因?yàn)?，單倍體水稻高度不育，不能生產(chǎn)糧食。 師:單倍體水稻為什么高度不育？ 學(xué)生活動：討論、分析、交流。 生甲:單倍體水稻不能產(chǎn)生精子。 生乙:單倍體水稻不能受粉。 生丙:單倍體水稻不能受精。 …… 師:正常的水稻體細(xì)胞中含有兩個(gè)染色體組，24條染色體。單倍體水稻細(xì)胞中只含有一個(gè)染色體組。由于單倍體水稻細(xì)胞中沒有同源染色體，因此，在減數(shù)分裂過程中出現(xiàn)聯(lián)會紊亂，不能產(chǎn)生正常的配子，從而表現(xiàn)出高度不育。 師:單倍體具有什么應(yīng)用價(jià)值呢？ 學(xué)生活動：閱讀教材，討論、思考、交流。 生:單倍體在育種上具有特殊的意義。 師:自然條件下單倍體形成的原因是什么呢？ 學(xué)生活動：閱讀回顧教材，討論、思考、交流。 師:在自然條件下，玉米、普通小麥、水稻、煙草作物等，偶爾會出現(xiàn)單倍體植株，這是由未經(jīng)受精的卵細(xì)胞發(fā)育而成的。 師:育種過程中如何獲得單倍體呢？ 生甲:利用未經(jīng)受精的卵細(xì)胞培養(yǎng)成。 生乙:利用未經(jīng)受精的精子培養(yǎng)成。 師:育種過程中常利用花藥離體培養(yǎng)的方法獲得單倍體。 師:如何利用單倍體進(jìn)行育種？ 課件展示： 在小麥中，高稈(D)對矮稈(d)是顯性，抗病(R)對不抗病(r)是顯性。其中，矮稈和抗病是人們所需要的優(yōu)良性狀。現(xiàn)有兩種純種小麥品種，一個(gè)品種是矮稈、不抗病小麥，另一個(gè)品種是高稈、抗病小麥。請你思考利用矮稈、不抗病小麥與高稈、抗病小麥作親本，如何利用單倍體育種方法培育出一個(gè)矮稈、抗病的新品種？ 學(xué)生活動：思考、討論、交流。 課件展示： 利用單倍體育種方法培育矮稈、抗病的新品種的過程： 師:利用單倍體育種方法培育矮稈、抗病的新品種時(shí)，通過秋水仙素處理后得到的小麥的基因組成有什么特點(diǎn)？ 學(xué)生活動：觀察、思考、討論。 生:利用秋水仙素處理后得到的小麥的基因組成都是純合的。 師:用人工誘導(dǎo)使單倍體植株染色體加倍后，它的體細(xì)胞中不僅含有正常植株體細(xì)胞中的染色體數(shù)，而且每對染色體上的成對的基因都是純合的，這樣植株后代就不會發(fā)生性狀分離。 師:利用單倍體育種方法培育能穩(wěn)定遺傳的矮稈、抗病的新品種時(shí)，需要幾年時(shí)間？ 學(xué)生活動：觀察、思考、討論。 生:需要2年。 師:若采用雜交育種，在第二年能獲得穩(wěn)定遺傳的矮稈、抗病的新品種嗎？ 學(xué)生活動：回顧基因自由組合定律在雜交育種中的應(yīng)用知識，討論、交流。 生:不能，因?yàn)樵诘诙戢@得的矮稈、抗病的類型中有2/3是雜合子，不能穩(wěn)定遺傳。 師:利用雜交育種，子二代中得到的矮稈、抗病的類型中有2/3是雜合子，它的下一代會出現(xiàn)性狀分離。要想得到可以穩(wěn)定遺傳的矮稈、抗病類型，就必須對所得到的無芒、抗病品種進(jìn)行多代自交和選種，淘汰不符合要求的植株，最后才能得到能夠穩(wěn)定遺傳的矮稈、抗病類型，這就需要經(jīng)過多年的選育。利用單倍體育種方法培育穩(wěn)定遺傳的矮稈、抗病類型，可以2年就培育成功，比雜交育種所需時(shí)間大大地縮短。 師:無子西瓜是如何培育出來的呢？ 學(xué)生活動：閱讀教材P44“積極思維”，思考、討論三倍體西瓜是如何培育的？為什么無子？ 課件展示： 三倍體西瓜培育的過程 師:人工誘導(dǎo)多倍體的最常用的方法是什么？ 生:利用秋水仙素處理萌發(fā)的種子或幼苗。 師:利用秋水仙素處理萌發(fā)的種子或幼苗，為什么能使細(xì)胞染色體數(shù)目加倍？ 學(xué)生活動：閱讀教材P45，思考、討論、交流。 生:利用秋水仙素處理萌發(fā)的種子或幼苗時(shí)，當(dāng)秋水仙素作用于正在分裂的細(xì)胞時(shí)，能抑制紡錘體的形成，導(dǎo)致染色體不能分離，從而使細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)目加倍。 教師活動：演示植物細(xì)胞有絲分裂的過程，再演示無紡錘體時(shí)細(xì)胞分裂過程的變化。 師:自然條件下多倍體是如何形成的呢？ 生:植物體的內(nèi)外環(huán)境發(fā)生驟變，使正在分裂的細(xì)胞中紡錘體可能受到破壞，已復(fù)制的染色體不能分到兩極，細(xì)胞也不分裂，從而形成染色體組加倍的細(xì)胞。 教師活動：展示三倍體的葡萄與正常二倍體葡萄。 師:多倍體植物與普通二倍體相比有什么特點(diǎn)？ 學(xué)生活動：觀察、比較、閱讀教材、討論、交流。 生:多倍體植株的莖稈粗壯，葉片、果實(shí)和種子都比較大，糖類、蛋白質(zhì)等含量多。 師:正是由于多倍體具有這些優(yōu)良的特點(diǎn)，所以人們常利用誘導(dǎo)多倍體的方法來培育多倍體。 三、染色體變異在育種上的應(yīng)用 1．單倍體育種 2．多倍體育種 1．解析：利用雜交育種，子二代中得到的顯性性狀類型中都有雜合子，它的下一代會出現(xiàn)性狀分離。要想得到可以穩(wěn)定遺傳的某種類型，就必須對所得到的某種顯性性狀類型品種進(jìn)行多代自交和選種，淘汰不符合要求的植株，最后才能得到能夠穩(wěn)定遺傳的類型，這就需要經(jīng)過多年的選育。利用單倍體育種方法培育時(shí)，由于一般是利用雜種子一代的花藥離體培養(yǎng)，得到的單倍體幼苗再利用秋水仙素處理，處理后的植物體是純合子，后代不會出現(xiàn)性狀分離，因此，可以2年就培育成功，比雜交育種所需時(shí)間大大地縮短。 答案：C 2．解析：基因型為DdTt的植物，經(jīng)過減數(shù)分裂形成的花粉有四種類型： DT、Dt、dT、dt，其花粉離體培養(yǎng)成的幼苗為單倍體，基因型為： DT、Dt、dT、dt，再經(jīng)秋水仙素處理，處理后的植物體染色體數(shù)目加倍，而且都是純合子。因此，這些幼苗長成后，自交后代不會出現(xiàn)性狀分離。 答案：A 3．解析：四倍體的西瓜與二倍體的西瓜雜交時(shí)，四倍體西瓜產(chǎn)生的配子含有2個(gè)染色體組，二倍體西瓜產(chǎn)生的配子含有一個(gè)染色體組，雜交所得到的子一代為三倍體。三倍體西瓜開花時(shí)，由于減數(shù)分裂時(shí)，同源染色體聯(lián)會紊亂，不能產(chǎn)生正常的生殖細(xì)胞，但利用二倍體西瓜的花粉給四倍體西瓜進(jìn)行傳粉，刺激子房發(fā)育為果實(shí)，但由于沒有經(jīng)過受精作用，所以，所結(jié)的果實(shí)中沒有種子。 答案：C 4．解析：粗糙脈孢菌的單倍體細(xì)胞中具有7條染色體，呈奇數(shù)，說明粗糙脈孢菌的單倍體細(xì)胞中只有一個(gè)染色體組，兩個(gè)不同類型的粗糙脈孢菌融合后的二倍體，隨即發(fā)生典型的減數(shù)分裂，應(yīng)最終形成四個(gè)子細(xì)胞，每個(gè)子細(xì)胞中的染色體數(shù)目應(yīng)該減半為7條。這四個(gè)子細(xì)胞經(jīng)過有絲分裂，一個(gè)細(xì)胞能形成兩個(gè)子細(xì)胞，這樣，最終可以形成8個(gè)細(xì)胞。有絲分裂的前后染色體數(shù)目不變，仍為7條。 答案：A 5．解析：普通倉鼠和花背鼠的體細(xì)胞中均有22條染色體，因此，普通倉鼠與花背鼠進(jìn)行種間雜交時(shí)，減數(shù)分裂形成的生殖細(xì)胞中均含有一個(gè)染色體組，11條染色體。而形成的受精卵中有分別來自普通倉鼠和花背鼠的一個(gè)染色體組，經(jīng)過染色體加倍后，形成的細(xì)胞中有44條染色體，四個(gè)染色體組，因此，金背倉鼠為四倍體。 答案：C 6．答案：水稻正常體細(xì)胞中有24條染色體，兩個(gè)染色體組，經(jīng)過減數(shù)分裂形成的配子中，染色體數(shù)目減半，為12條染色體，因此，水稻是二倍體生物；普通小麥正常體細(xì)胞中有42條染色體，六個(gè)染色體組，經(jīng)過減數(shù)分裂形成的配子中，染色體數(shù)目減半，為21條染色體，因此，普通小麥?zhǔn)橇扼w生物；馬鈴薯正常體細(xì)胞中有48條染色體，四個(gè)染色體組，經(jīng)過減數(shù)分裂形成的配子中，染色體數(shù)目減半，為24條染色體，因此，馬鈴薯是四倍體生物；人正常體細(xì)胞中有46條染色體，兩個(gè)染色體組，經(jīng)過減數(shù)分裂形成的配子中，染色體數(shù)目減半，為23條染色體，因此，人是二倍體生物。 1．多倍體誘導(dǎo)在植物育種上的意義 一個(gè)物種細(xì)胞中染色體形態(tài)結(jié)構(gòu)和數(shù)目的恒定性是這個(gè)種的重要特征。我們把二倍體個(gè)體中能維持配子或配體正常功能的、最低數(shù)目的一套染色體稱為染色體組或基因組。當(dāng)生物體內(nèi)細(xì)胞染色體組數(shù)達(dá)到3組或3組以上者，稱為多倍體。多倍體在植物進(jìn)化中有很重要的意義。隨著植物自然演化地位的提高，多倍體所占比例增大。據(jù)有關(guān)資料顯示，自然界中，多倍體在裸子植物中占物種的13%，在單子葉植物中占42.8%，在雙子葉植物中占68.6%，即顯花植物中約有一半的物種是通過多倍體途徑形成的次生種，其中有些是在一個(gè)屬內(nèi)存在著不同倍數(shù)的種，有些是在同一種內(nèi)存在著不同倍數(shù)的品種。遺傳學(xué)上把一個(gè)屬內(nèi)不同種的染色體按某一基數(shù)而倍增的現(xiàn)象稱為染色體倍數(shù)性系列，或多倍體系列。處在倍數(shù)性系列上的植物，因其基因劑量存在差異，所以各有相異的表型，它們在細(xì)胞染色體尚未數(shù)清以前，就早已為形態(tài)分類學(xué)家區(qū)分為不同的種群。 在自然條件下，機(jī)械損傷，射線輻射，溫度驟變，及其他一些化學(xué)因素刺激，都可以使植物材料的染色體加倍，形成多倍體種群。近幾十年來，隨著人們對多倍體誘導(dǎo)機(jī)制研究的深入，由人工模擬自然條件來誘導(dǎo)多倍體植物獲得了長足進(jìn)展，形成了不少有價(jià)值的人工多倍體種群。 細(xì)胞核內(nèi)染色體組加倍以后，常帶來一些形態(tài)和生理上的變化，如巨大性、抗逆性增強(qiáng)等。一般多倍體細(xì)胞的體積，氣孔保衛(wèi)細(xì)胞都比二倍體大，葉子、果實(shí)、花和種子的大小也隨加倍而遞增。從內(nèi)部代謝來看，由于基因劑量加大，一些生理生化過程也隨之加強(qiáng)，某些代謝物的產(chǎn)量比二倍體增多，如大麥同源四倍體種子蛋白質(zhì)含量比二倍體提高10%～12%，玉米同源四倍體子粒內(nèi)擬胡蘿卜素含量比二倍體原種增加43%，胡蘿卜糖含量增加10%～20%，歐洲巨型山楊生長量增加一倍等。這些改變都與基因劑量有關(guān)。多倍體的產(chǎn)生多出現(xiàn)在分布區(qū)的一些邊緣地帶，多在氣候條件惡劣的地區(qū)，這些地區(qū)多倍體的出現(xiàn)常伴隨著抗逆性的相對提高，如報(bào)春花原產(chǎn)于溫帶，我國云南很多，原始種為二倍體，而新生的異源四倍體分布在二倍體區(qū)域內(nèi)的高山上，三倍體和八倍體分布在更北或更南的高山上，而十四倍體生長在極地。(楊曉紅、李越華、張克中，xx)。由于多倍體植物帶有巨大性、不育性、代謝物增多和抗遞性加強(qiáng)等特點(diǎn)，給生產(chǎn)、生活帶來了很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 自從二十世紀(jì)三十年代，人們發(fā)現(xiàn)用秋水仙素誘導(dǎo)多倍體的方法以來，育種家們在植物倍性育種方面作出了較多的探索，形成了一些人工多倍體的商業(yè)品種?；ɑ芊矫妫喊珷颗?、金魚草、雞冠花等多倍體植物多表現(xiàn)為葉片肥厚、花色艷麗、花期長、花瓣多等特點(diǎn)，觀賞價(jià)值得到了提高；藥材方面，板藍(lán)根四倍體有效成分含量比普通二倍體對照高出約40%；林木方面，四倍體桑樹及刺槐在生長量及抗逆性方面都較之二倍體對照有了較大提高。 一般而言，用秋水仙素誘導(dǎo)成的多倍體植株往往是同源四倍體，如果將其與二倍體對照雜交，便可獲得三倍體的植株，例如，人工獲得的三倍體西瓜、香蕉等。無子或少子是它們的顯著特征。另外，在倍性育種的過程中，育種家們發(fā)現(xiàn)：①在一些遠(yuǎn)緣雜交不親和的組合中，如果將其中之一加倍、遠(yuǎn)緣雜交往往變得容易進(jìn)行，而且所獲得的異源多倍體在生長量及抗逆性方面，往往有突出表現(xiàn)。②在用各種射線誘變育種時(shí)，多倍體材料的誘變率大大高于二倍體對照。由此可見，在人工誘導(dǎo)植物多倍體的基礎(chǔ)上，如能結(jié)合其他育種手段，以培育出高質(zhì)量的植物新品種，大有潛力可挖。 總之，隨著人們對多倍體誘導(dǎo)技術(shù)及其他相關(guān)育種技術(shù)研究的深入，在不久的將來，定能形成越來越多的人工多倍體種群，使多倍體誘導(dǎo)成為最有效的育種手段之一！ 2．秋水仙素的誘導(dǎo)機(jī)理 秋水仙素是1937年發(fā)現(xiàn)的，從百合科植物秋水仙種子球莖中提取出來的一種植物堿，分子式為C22H25O6N。秋水仙素呈白色或黃色粉末或針狀結(jié)晶，有劇毒，易溶于冷水、酒精和氯仿，難溶于熱水、乙醚等，有效誘導(dǎo)濃度為0.000 6%～1.6%，一般以0.2%濃度效果最好。常被用作多倍體誘導(dǎo)劑，經(jīng)處理的萌發(fā)種子或幼苗細(xì)胞染色體數(shù)會發(fā)生加倍。其誘導(dǎo)加倍的機(jī)理與微管、著絲粒的結(jié)構(gòu)和特性有關(guān)。 微管是廣泛存在于各種真核細(xì)胞中的一種重要細(xì)胞結(jié)構(gòu)，細(xì)胞分裂中紡錘體就是由微管組成的。微管管壁由13條原絲縱向平行排列構(gòu)成，主要成分為微管蛋白，而微管蛋白分α微管蛋白和β微管蛋白兩種。α微管蛋白和β微管蛋白組成的異二聚體構(gòu)成微管亞單位，若干個(gè)異二聚體相接連成原絲。α微管蛋白與β微管蛋白在化學(xué)結(jié)構(gòu)上極為相似，兩者相對分子質(zhì)量均為50 000，氨基酸數(shù)目分別為450和445個(gè)，兩者42%序列相同。其中β微管蛋白肽鏈中第201位為半胱氨酸，為秋水仙素結(jié)合部位。α微管蛋白和β微管蛋白彼此間具有很強(qiáng)的親和力，常呈二聚體形式存在。每一微管蛋白異二聚體上尚有秋水仙素與之結(jié)合的部位，如果結(jié)合的部位被其結(jié)合，微管不僅不能繼續(xù)聚合，而且會引起原有微管解聚。故秋水仙素具有干擾微管裝配，破壞紡錘體形成和終止細(xì)胞分裂的作用。 細(xì)胞分裂間期染色體經(jīng)過復(fù)制形成了兩條姐妹染色單體，但在進(jìn)入后期之前，姐妹染色單體在著絲粒區(qū)連結(jié)在一起。著絲粒位于染色體上的主縊痕部位，為染色單體的連接結(jié)構(gòu)，而動粒才是動粒纖維附著在染色體的結(jié)構(gòu)。著絲粒由一段特殊DNA序列構(gòu)成，著絲粒DNA具有高度重復(fù)序列，如小鼠染色體著絲粒約有300個(gè)堿基對重復(fù)幾千次組成，含量占染色體DNA的5%～10%，而在果蠅細(xì)胞中可達(dá)40%。Clarke等學(xué)者認(rèn)為，著絲粒區(qū)域DNA可能編碼一種特殊信號，使其復(fù)制在S期受阻遏，一直到后期這一區(qū)域DNA復(fù)制才完成。著絲粒DNA復(fù)制完成也就啟動了后期染色單體的分離，故姐妹染色單體分離動力不是來自與兩極相連的動粒微管張力。人們發(fā)現(xiàn)，用秋水仙素處理分裂的細(xì)胞，雖然紡錘體被破壞了，但是兩條姐妹染色單體照樣分開?？傊?，秋水仙素雖然破壞了細(xì)胞中微管組裝，阻止了紡錘體正常生成，使細(xì)胞分裂失去了動力來源，從而在染色體復(fù)制后期細(xì)胞不能一分為二，但是染色體數(shù)卻加倍了。