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第3講　從雜交育種到基因工程 李仕才 考綱要求 全國卷五年考情 1.生物變異在育種上的應用(Ⅱ) 2015卷ⅠT29,2014卷ⅠT32,2013卷ⅠT40 2.轉基因食品的安全(Ⅰ) 無考題 考點一| 五種常見育種方法的比較 (對應學生用書第144頁) [識記—基礎梳理] 1．雜交育種 (1)概念：將兩個或多個品種的優(yōu)良性狀通過交配集中在一起，再經過選擇和培育，獲得新品種的方法。 (2)過程： ①植物：選擇具有不同優(yōu)良性狀的親本雜交，獲得F1→F1自交→獲得F2→鑒別、選擇需要的類型，自交至不發(fā)生性狀分離為止。 ②動物：選擇具有不同優(yōu)良性狀的親本雜交，獲得F1→F1雌雄個體交配→獲得F2→鑒別、選擇需要的類型與隱性類型測交，選擇后代不發(fā)生性狀分離的F2個體。 (3)優(yōu)良性狀的選擇 ①若采用雜交育種，一般應從F2開始進行篩選，原因是F2才出現(xiàn)性狀分離。 ②若采用單倍體育種，對優(yōu)良性狀的選擇應在秋水仙素處理之后(填“前”或“后”)，原因是秋水仙素處理之前為單倍體，一般植株較小，不能表現(xiàn)出優(yōu)良性狀。 2．誘變育種 (1)概念：利用物理因素或化學因素來處理生物，使生物發(fā)生基因突變，從而獲得優(yōu)良變異類型的育種方法。 (2)過程：選擇生物→誘發(fā)基因突變→選擇理想類型→培育。 (3)誘變育種與上述雜交育種相比，二者最大的區(qū)別在于誘變育種能創(chuàng)造出新基因。 3．生物育種方法、實例(連線) 　 　　　 　　　 a．雜交育種 Ⅰ.高產青霉菌 b．單倍體育種 Ⅱ.京花1號小麥 c．誘變育種 Ⅲ.抗蟲棉 d．多倍體育種 Ⅳ.三倍體無子西瓜 e．基因工程育種 Ⅴ.雜交水稻 【提示】　a－Ⅴ　b－Ⅱ　c－Ⅰ　d－Ⅳ　e－Ⅲ 1．判斷正誤 (1)將大豆種子用60Co處理后，篩選出一株雜合子抗病植株連續(xù)自交若干代，則其純合抗病植株的比例逐代下降。() 【提示】　雜合子自交，隨自交后代數(shù)增加，純合子逐代增多。 (2)通過誘導多倍體的方法可克服遠緣雜交不育，培育出作物新類型。(√) (3)抗蟲小麥與矮稈小麥雜交，通過基因重組獲得抗蟲矮稈小麥，此實踐活動包含基因工程技術。() 【提示】　此育種方式屬于雜交育種，原理是基因重組，不包含基因工程技術。 (4)通過誘變育種可獲得青霉素高產菌株。(√) (5)育種專家在稻田中發(fā)現(xiàn)一株十分罕見的“一稈雙穗”植株，經鑒定該變異性狀是由基因突變引起的，將該株水稻的花粉離體培養(yǎng)后即可獲得穩(wěn)定遺傳的高產品系。() 【提示】　花粉離體培養(yǎng)獲得的是單倍體，需用秋水仙素處理單倍體幼苗，才能獲得穩(wěn)定遺傳的純合品系。 (6)最簡捷的育種方法是雜交育種，快速育種時常選用單倍體育種。(√) 2．據(jù)圖思考 如圖甲、乙表示水稻兩個品種，A、a和B、b表示分別位于兩對同源染色體上的兩對等位基因，①～⑥表示培育水稻新品種的過程，請思考： (1)圖中③→⑤為單倍體育種。(用序號及箭頭表示) (2)圖中哪一標號處需用秋水仙素處理？應如何處理？ 圖中⑤處需用秋水仙素處理單倍體幼苗，從而獲得純合子；圖中⑥處，需用秋水仙素處理萌發(fā)的種子或幼苗，以誘導染色體加倍。 (3)圖中④、⑥的育種原理分別是基因突變、染色體變異。 (4)圖中最簡便的育種途徑是①→②所示的雜交育種，最難以達到育種目的是④誘變育種。 [理解—深化探究] 填表比較各類育種方法 原理 常用方式 優(yōu)點 缺點 舉例 雜交 育種 基因 重組 雜交 ↓ 自交 ↓ 選種 ↓ 自交 ①使不同個體優(yōu)良性狀集中在一個個體上 ②操作簡便 ①育種 時間長 ②局限于親緣關系較近的個體 矮稈抗 病小麥 誘變 育種 基因 突變 輻射、激 光、太空 誘變等 提高變異頻率，加速育種進程，大幅度改良性狀 有很大盲目性，有利變異少，需大量處理實驗材料 青霉素 高產菌株 單倍 體育 種 染色 體變 異 花藥離體 培養(yǎng)，用 秋水仙素 處理 ①__明顯縮短育種年限 ②子代均為純合子 技術復雜，需與雜交育種配合 單倍體 育種獲 得矮稈 抗病小麥 多倍 體育 種 染色 體變 異 用秋水仙 素處理萌 發(fā)的種子 或幼苗 器官大，提高營養(yǎng)物質含量 只適用于植物，發(fā)育延遲，結實率低 三倍體 無子西瓜 基因 工程 育種 基因 重組 將一種生 物的特定 基因轉移 到另一種 生物細胞中 打破物種界限，定向改造生物的遺傳性狀 技術復雜， 生態(tài)安全 問題較多 轉基因 抗蟲棉 的培育 [運用—考向對練] 考向1　考查育種過程、原理、方法等 1．下列關于常見作物育種方法的敘述，不正確的是(　　) A．利用雜交育種可培育出新物種，促進生物的進化 B．利用單倍體育種可獲得純合子，明顯縮短育種年限 C．利用多倍體育種可增加染色體的數(shù)目，獲得莖稈粗壯的植株 D．利用誘變育種可增大突變頻率，利于獲得新基因 A　[雜交育種的原理是基因重組，不產生新基因，只產生新的基因型，不會改變基因頻率，不能產生新物種，能促進生物進化，A錯誤。] 2．(2017邯鄲市高三摸底)利用基因型為Aa的二倍體植株培育三倍體幼苗，其途徑如圖所示，下列敘述正確的是(　　) A．①過程需要秋水仙素處理，并在有絲分裂后期發(fā)揮作用 B．②過程為單倍體育種，能明顯縮短育種期限 C．兩條育種途徑依據(jù)的生物學原理都主要是基因突變和染色體變異 D．兩條育種途徑中，只有通過途徑一才能獲得基因型為AAA的三倍體幼苗 D　[①是人工誘導染色體數(shù)目加倍過程，該過程需要秋水仙素處理，而秋水仙素作用原理是抑制紡錘體的形成，因此其在有絲分裂前期發(fā)揮作用，A錯誤；圖中只有多倍體育種和體細胞雜交育種，沒有單倍體育種，B錯誤；圖中途徑一為多倍體育種，其原理是染色體變異；途徑二為植物體細胞雜交育種，其原理是染色體變異，C錯誤；途徑一得到的三倍體的基因型為AAA或AAa或Aaa或aaa，途徑二得到的三倍體的基因型為AAa或Aaa，D正確。] 　黑龍江省農科院欲通過下圖所示的育種過程培育出高品質的糯玉米。下列有關敘述正確的是(　　) A．a過程中運用的遺傳學原理是基因重組 B．a過程需要用秋水仙素處理萌發(fā)的種子 C．利用c過程定能更快獲得高品質的糯玉米 D．b過程需要通過逐代自交來提高純合率 D　[a過程為單倍體育種，育種過程中需用秋水仙素處理萌發(fā)的單倍體幼苗，育種原理是染色體變異，A、B錯誤；c過程為誘變育種，由于基因突變具有不定向性，在較短的時間內不一定能獲得高品質的糯玉米，C錯誤；b過程為雜交育種，需通過逐代自交來提高純合率，D正確。] 從育種材料和方法特點的角度確定育種方法，如圖所示。 考向2　育種方案的設計 3．回答下列有關育種的問題： (1)現(xiàn)有甲、乙、丙、丁四個品系的純種玉米，其基因型依次為AABBGG、aaBBGG、AAbbGG、AABBgg。若想培育出AaaBBbGGG新類型，試用遺傳圖解表示育種的過程(要求寫出配子)。 (2)現(xiàn)有水稻的兩純系品種AArr(無芒而易感病)和aaRR(有芒而抗病)，兩對相對性狀獨立遺傳。為培育無芒而抗病的純系品種(AARR)，請用遺傳圖解表示從F1開始的最快的育種程序，并寫出相應的文字說明。 [解析]　(1)培育出的AaaBBbGGG新類型是三倍體，而所給材料均為二倍體，因此要將其中之一(品系乙aaBBGG)用秋水仙素處理使其染色體加倍形成四倍體，然后再與二倍體(品系丙AAbbGG)雜交，可得到三倍體。(2)題中要求寫出從F1開始的最快的育種程序，因此要采用單倍體育種。 [答案]　 (2) 　小麥品種是純合體，生產上用種子繁殖，現(xiàn)要選育矮稈(aa)、抗病(BB)的小麥新品種，請設計小麥品種間雜交育種程序。要求用遺傳圖解表示并加以簡要說明。(寫出包括親本在內的前三代即可。) [答案]　第一代　　AABBaabb　親本雜交得F1 　　　　　　　　　　 ↓ 第二代　　　　AaBb　　　 　 考點二| 基因工程的操作工具及步驟 (對應學生用書第146頁) [識記—基礎梳理] 1．概念 按照人們的意愿，把一種生物的某種基因提取出來，加以修飾改造，然后放到另一種生物的細胞里，定向地改造生物的遺傳性狀。 2．原理 不同生物之間的基因重組。 3．工具 (1)限制性核酸內切酶(簡稱限制酶) ①分布：主要在微生物體內。 ②特性：一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列，并在特定的切點上切割DNA分子。 ③實例：EcoRⅠ限制酶能專一識別GAATTC序列，并在G和A之間將這段序列切開。 ④切割結果：產生兩個帶有黏性末端或平末端的DNA片段。 ⑤作用：基因工程中重要的切割工具，能將外來的DNA切斷，對自己的DNA無損害。 (2)DNA連接酶 ①催化對象：兩個具有相同黏性末端或平末端的DNA片段。 ②催化位置：脫氧核糖與磷酸之間的缺口。 ③催化結果：形成重組DNA。 (3)常用的運載體——質粒 ①本質：小型環(huán)狀DNA分子。 ②作用： a．作為運載工具，將目的基因運送到受體細胞中去； b．用它在受體細胞內對目的基因進行大量復制。 4．基本步驟 5．應用 (1)育種，如抗蟲棉。 (2)藥物研制，如胰島素等。 (3)環(huán)境保護，如轉基因細菌分解石油。 6．轉基因生物和轉基因食品的安全性——“兩種態(tài)度” (1)轉基因生物和轉基因食品不安全，要嚴格控制。 (2)轉基因生物和轉基因食品安全，應該大范圍推廣。 1．判斷正誤 (1)自然界中天然存在的噬菌體自行感染細菌后，其DNA整合到細菌DNA上屬于基因工程。 () 【提示】　基因工程是在人為作用下進行的，噬菌體感染細菌無人為因素，所以不屬于基因工程。 (2)DNA連接酶和限制酶是基因工程中兩類常用的工具酶。 (√) (3)將人的干擾素基因重組到質粒后導入大腸桿菌，獲得能產生人干擾素的菌株，屬于基因工程。 (√) (4)載體質粒通常采用抗生素合成基因作為篩選標記基因。 () 【提示】　載體質粒上抗生素抗性基因可作為標記基因，供重組DNA的鑒定和選擇，不是抗生素合成基因。 (5)為達到相應目的，“攜帶鏈霉素抗性基因受體菌的篩選”必須通過分子檢測。 () 【提示】　根據(jù)受體菌是否對鏈霉素產生抗性進行篩選，不需要分子檢測。 (6)轉基因作物被動物食用后，目的基因會轉入動物體細胞中。 () 【提示】　動物食入轉基因植物后，其消化系統(tǒng)能將植物基因分解成小分子物質，基因不能轉入動物體細胞中。 2．據(jù)圖思考 下圖是利用基因工程技術生產人胰島素的操作過程示意圖。 (1)圖中基因工程的基本過程可以概括為“四步曲”：提取目的基因；目的基因與運載體結合；將目的基因導入受體細胞；目的基因的檢測與鑒定。 (2)能否利用人的皮膚細胞來完成①過程？不能，為什么？皮膚細胞中的胰島素基因未表達(或未轉錄)，不能形成胰島素mRNA。 (3)過程②必需用的酶是逆轉錄酶。 (4)在利用A、B獲得C的過程中，常用限制性核酸內切酶切割B，使它產生一定的黏性末端，再加入DNA連接酶才可形成C。 [運用—考向對練] 考向　考查基因工程的原理及應用 近日，美國和澳大利亞的研究人員發(fā)現(xiàn)，從錐形蝸牛體內提取出的毒液可望幫助人類開發(fā)出超級速效的胰島素。他們研究表明錐形蝸牛毒蛋白(ConIns Gl)能加速受體細胞信號轉換，比人類胰島素更加快速的發(fā)揮作用。因此制造這類“速效胰島素”以及利用轉基因技術實現(xiàn)批量生產成為Ⅰ型糖尿病治療的新思路。請回答下列問題： (1)利用基因工程制造ConIns Gl這種速效胰島素過程中，構建基因表達的載體一般包括目的基因、啟動子、標記基因和_______，標記基因的作用是_____。 (2)為了獲得目的基因可以通過提取分析ConIns Gl毒蛋白中的____________序列推知毒蛋白基因的核苷酸序列，再用DNA合成儀直接大量合成?；蚬こ讨行枰狣NA連接酶，根據(jù)酶的來源不同分為________________兩類。 (3)將人工合成的目的基因導入大腸桿菌體內，一般先用藥物處理大腸桿菌使之成為________________細胞。再將重組DNA溶于__________中與該類細胞融合，在一定溫度下促進細胞吸收重組DNA分子完成轉化過程。 (4)經過目的基因的檢測和表達，獲得的ConIns Gl毒蛋白活性未能達到期待的“速效胰島素”的生物活性，導致這種差異的原因可能是_____________。 [解析]　(1)基因表達載體的成分包括啟動子、終止子、目的基因和標記基因，其中標記基因的作用是檢測目的基因是否導入了受體細胞。 (2)人工合成目的基因，可以根據(jù)ConIns Gl毒蛋白中的氨基酸序列推mRNA中的核糖核苷酸序列，進而推測出毒蛋白基因的核苷酸序列，再用DNA合成儀直接大量合成?；蚬こ讨械腄NA連接酶可以分為EcoliDNA連接酶和T4DNA連接酶兩類。 (3)將人工合成的目的基因導入大腸桿菌等微生物體內，先用氯化鈣處理大腸桿菌，使之成為感受態(tài)，再將重組DNA溶于緩沖液中與該類細胞融合。 (4)由于大腸桿菌是原核生物，細胞中沒有內質網(wǎng)和高爾基體等多種細胞器，不能對合成的蛋白質進行加工、分類和包裝，所以獲得的ConIns Gl毒蛋白活性未能達到期待的“速效胰島素”的生物活性。 [答案]　(1)終止子　鑒別和篩選含有目的基因的細胞　(2)氨基酸　EcoliDNA連接酶和T4DNA連接酶　(3)感受態(tài)　緩沖液　(4)大腸桿菌中基因表達獲得的蛋白質未加工 真題驗收| 感悟高考　淬煉考能 (對應學生用書第147頁) 1．(2013大綱全國卷)下列實踐活動包含基因工程技術的是(　　) A．水稻F1花藥經培養(yǎng)和染色體加倍，獲得基因型純合新品種 B．抗蟲小麥與矮稈小麥雜交，通過基因重組獲得抗蟲矮稈小麥 C．將含抗病基因的重組DNA導入玉米細胞，經組織培養(yǎng)獲得抗病植株 D．用射線照射大豆使其基因結構發(fā)生改變，獲得種子性狀發(fā)生變異的大豆 C　[A項屬于單倍體育種，原理是染色體變異；B項屬于雜交育種，原理是基因重組；C項屬于基因工程育種，原理是基因重組；D項屬于誘變育種，原理是基因突變。] 2．(2014全國卷Ⅰ)現(xiàn)有兩個純合的某作物品種：抗病高稈(易倒伏)和感病矮稈(抗倒伏)品種。已知抗病對感病為顯性，高稈對矮稈為顯性，但對于控制這兩對相對性狀的基因所知甚少。 回答下列問題： (1)在育種實踐中，若利用這兩個品種進行雜交育種，一般來說，育種目的是獲得具有________優(yōu)良性狀的新品種。 (2)雜交育種前，為了確定F2代的種植規(guī)模，需要正確預測雜交結果。若按照孟德爾遺傳定律來預測雜交結果，需要滿足3個條件：條件之一是抗病與感病這對相對性狀受一對等位基因控制，且符合分離定律；其余兩個條件是________________________________________________________________。 (3)為了確定控制上述這兩對性狀的基因是否滿足上述3個條件，可用測交實驗來進行檢驗，請簡要寫出該測交實驗的過程。 [解析]　(1)雜交育種能將兩個或多個品種的優(yōu)良性狀通過雜交集中在一起，抗病與矮稈(抗倒伏)為優(yōu)良性狀。(2)雜交育種依據(jù)的原理是基因重組，控制兩對相對性狀的基因位于非同源染色體上，遵循基因的自由組合定律，每對基因單獨考慮時符合分離定律。(3)測交是指用F1和隱性純合子雜交，故應先用純合的抗病高稈植株與感病矮稈植株雜交得到F1，然后再進行測交實驗。 [答案]　(1)抗病矮稈 (2)高稈與矮稈這對相對性狀受一對等位基因控制，且符合分離定律；控制這兩對相對性狀的基因位于非同源染色體上 (3)將純合的抗病高稈植株與感病矮稈植株雜交，產生F1，讓F1與感病矮稈植株雜交。 3．(2014安徽高考)香味性狀是優(yōu)質水稻品種的重要特性之一。 (1)香稻品種甲的香味性狀受隱性基因(a)控制，其香味性狀的表現(xiàn)是因為_____________________________________________________________， 導致香味物質積累。 (2)水稻香味性狀與抗病性狀獨立遺傳?？共?B)對感病(b)為顯性。為選育抗病香稻新品種，進行了一系列雜交實驗。其中，無香味感病與無香味抗病植株雜交的統(tǒng)計結果如圖所示，則兩個親代的基因型是________。上述雜交的子代自交，后代群體中能穩(wěn)定遺傳的有香味抗病植株所占比例為________。 (3)用純合無香味植株作母本與香稻品種甲進行雜交，在F1中偶爾發(fā)現(xiàn)某一植株具有香味性狀。請對此現(xiàn)象給出兩種合理的解釋：①__________________； ②______________________________________________________________。 (4)單倍體育種可縮短育種年限。離體培養(yǎng)的花粉經脫分化形成________，最終發(fā)育成單倍體植株，這表明花粉具有發(fā)育成完整植株所需的________。若要獲得二倍體植株，應在________時期用秋水仙素進行誘導處理。 [解析]　(1)根據(jù)題意分析，a基因控制香味性狀的出現(xiàn)，說明a基因純合時，參與香味物質代謝的某種酶缺失，導致香味物質不能轉化為其他物質，從而使香味物質積累。 (2)據(jù)圖中雜交結果分析，無香味∶有香味＝3∶1，抗病∶感?。?∶1，可知親本的基因型為Aabb(無香味感病)、AaBb(無香味抗病)，則F1基因型為1/8AABb、1/8AAbb、1/4AaBb、1/4Aabb、1/8aaBb、1/8aabb，其中只有AaBb、aaBb的植株自交才能獲得能穩(wěn)定遺傳的有香味抗病植株(aaBB)，有香味抗病植株(aaBB)占F2的比例為1/41/41/4＋1/811/4＝3/64。 (3)純合無香味植株基因型為AA，香稻品種甲的基因型為aa，正常情況下兩者雜交后代基因型為Aa，表現(xiàn)為無香味，但子代出現(xiàn)了有香味的植株，可能是由于某一雌配子形成時，A基因突變?yōu)閍基因，在子代中出現(xiàn)了基因型為aa的植株；或者某一雌配子形成時，含A基因的染色體片段缺失，子代由于只含基因a而出現(xiàn)香味性狀。 (4)植物組織培養(yǎng)過程中，離體細胞在培養(yǎng)基中先脫分化形成愈傷組織，再通過再分化形成根或芽等，最終形成完整植株。單倍體育種中，花粉細胞能夠表現(xiàn)出全能性是因為花粉細胞中含有該種植物的全部遺傳信息。花藥離體培養(yǎng)獲得的是單倍體植株，對單倍體幼苗用秋水仙素處理可使幼苗細胞中染色體數(shù)目加倍，最終發(fā)育為正常的二倍體植株。 [答案]　(1)a基因純合，參與香味物質代謝的某種酶缺失 (2)Aabb、AaBb　3/64　(3)某一雌配子形成時，A基因突變?yōu)閍基因　某一雌配子形成時，含A基因的染色體片段缺失　(4)愈傷組織　全部遺傳信息　幼苗 1．誘變育種時突變的個體中有害個體多于有利個體。 2．誘變育種能產生前所未有的新基因，創(chuàng)造變異新類型。 3．雜交育種能將多個優(yōu)良性狀集中到同一生物個體上。 4．雜合子品種的種子只能種一年，需要年年制種。 5．一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列并在特定的切點上切割DNA分子。 6．DNA連接酶的作用是在DNA片段之間的磷酸與脫氧核糖之間形成磷酸二酯鍵。 7．基因工程育種能定向改造生物性狀。 8．基因工程可以實現(xiàn)基因在不同生物之間的轉移。