高三生物一轮复习 第7单元 第3讲 从杂交育种到基因工程讲义 新人教版必修2.docx
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高三生物一轮复习第7单元第3讲从杂交育种到基因工程讲义新人教版必修2
第3讲从杂交育种到基因工程
考点一|五种常见育种方法的比较
1．杂交育种
（1）原理：
基因重组。
（2）过程：
①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，自交至不发生性状分离为止。
②动物：
选择具有不同优良性状的亲本杂交，获得F1→F1雌雄个体交配→获得F2→鉴别、选择需要的类型与隐性类型测交，选择后代不发生性状分离的F2个体。
（3）优点：
操作简便，可以把多个品种的优良性状集中在一起。
（4）缺点：
获得新品种的周期长。
（5）应用：
培育性状重组型优良品种。
2．诱变育种
（1）原理：
基因突变。
（2）过程：
选择生物→诱发基因突变→选择理想类型→培育。
（3）优点
①可以提高突变频率，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，需处理大量材料。
（5）应用：
培育具有新性状的品种。
3．生物育种方法、实例（连线）
a．杂交育种Ⅰ.高产青霉菌
b．单倍体育种Ⅱ.京花1号小麦
c．诱变育种Ⅲ.抗虫棉
D．多倍体育种Ⅳ.三倍体无子西瓜
e．基因工程育种Ⅴ.杂交水稻
【提示】a－Ⅴb－Ⅱc－Ⅰd－Ⅳe－Ⅲ
1．判断下列生物育种方法及原理叙述的正误。
（1）通过诱导多倍体的方法可克服远缘杂交不育，培育出作物新类型。
（√）
（2）抗虫小麦与矮秆小麦杂交，通过基因重组获得抗虫矮秆小麦，此实践活动包含基因工程技术。
（×）
【提示】此育种方式属于杂交育种，原理是基因重组，不包含基因工程技术。
（3）将大豆种子用60Co处理后，筛选出一株杂合子抗病植株连续自交若干代，则其纯合抗病植株的比例逐代下降。
（×）
【提示】杂合子自交，随自交后代数增加，纯合子逐代增多。
（4）通过诱变育种可获得青霉素高产菌株。
（√）
（5）育种专家在稻田中发现一株十分罕见的“一秆双穗”植株，经鉴定该变异性状是由基因突变引起的，将该株水稻的花粉离体培养后即可获得稳定遗传的高产品系。
（×）
【提示】花粉离体培养获得的是单倍体，需用秋水仙素处理单倍体幼苗，才能获得稳定遗传的纯合品系。
（6）最简捷的育种方法是杂交育种，快速育种时常选用单倍体育种。
（√）
2．据图回答下列问题：
如图甲、乙表示水稻两个品种，A、a和B、b表示分别位于两对同源染色体上的两对等位基因，①～⑥表示培育水稻新品种的过程，请思考：
（1）图中③→⑤为单倍体育种。
（用序号及箭头表示）
（2）图中哪一标号处需用秋水仙素处理？
应如何处理？
图中⑤处需用秋水仙素处理单倍体幼苗，从而获得纯合子；图中⑥处，需用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，以诱导染色体加倍。
（3）图中④、⑥的育种原理分别是基因突变、染色体变异。
（4）图中最简便的育种途径是①→②所示的杂交育种，最难以达到育种目的是④诱变育种。
填表比较各类育种方法
原理
常用方式
优点
缺点
举例
杂交育种
基因重组
杂交
↓
自交
↓
选种
↓
自交
①使不同个体优良性状集中在一个个体上
②操作简便
①育种时间长
②局限于亲缘关系较近的个体
矮秆抗
病小麦
诱变育种
基因突变
辐射、激光、太空诱变等
提高变异频率，加速育种进程，大幅度改良性状
有很大盲目性，有利变异少，需大量处理实验材料
青霉素高产菌株
单倍体育种
染色体变异
花药离体培养，用秋水仙素处理
①明显缩短育种年限
②子代均为纯合子
技术复杂，需与杂交育种配合
单倍体
育种获
得矮秆
抗病小麦
多倍体育种
染色体变异
用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗
器官大，提高营养物质含量
只适用于植物，发育延迟，结实率低
三倍体无子西瓜
基因工程育种
基因重组
将一种生物的特定基因转移到另一种生物细胞中
打破物种界限，定向改造生物的遗传性状
技术复杂，生态安全问题较多
转基因抗虫棉的培育
视角1生物育种过程分析及应用
1．（2017·东北四校调研）黑龙江省农科院欲通过下图所示的育种过程培育出高品质的糯玉米。
下列有关叙述正确的是（）
A．a过程中运用的遗传学原理是基因重组
B．a过程需要用秋水仙素处理萌发的种子
C．利用c过程定能更快获得高品质的糯玉米
D．b过程需要通过逐代自交来提高纯合率
D[a过程为单倍体育种，育种过程中需用秋水仙素处理萌发的单倍体幼苗，育种原理是染色体变异，A、B错误；c过程为诱变育种，由于基因突变具有不定向性，在较短的时间内不一定能获得高品质的糯玉米，C错误；b过程为杂交育种，需通过逐代自交来提高纯合率，D正确。
]
2．（2017·山西四校联考）野生猕猴桃是一种多年生富含VC的二倍体（2n＝58）小野果。
下图是某科研小组以大量的野生猕猴桃种子（aa）为实验材料培育抗虫猕猴桃无籽新品种的过程，分析正确的是（）
A．该培育过程中不可使用花药离体培养
B．③⑦过程必须使用秋水仙素
C．⑤的亲本不是同一物种
D．⑥过程得到的个体是四倍体
C[图中②过程中可用花药离体培养，再诱导染色体加倍获得AA的个体，A错误；秋水仙素或低温诱导均可导致染色体数加倍，B错误；⑤的亲本中，AA为二倍体，AAAA为四倍体，不是同一物种，C正确；⑥过程为基因工程导入抗虫基因，获得的仍是三倍体，D错误。
]
视角2生物育种方法的选择
3．（2017·河南省百校联盟质检）某植物的三对相对性状的控制基因及其所在染色体情况，如表所示。
现有各种具有显性性状的纯合子，为了培育纯隐性性状的植株，下列选用的植株及对应育种方法中，较为简捷可行的是（）
花色（红对白为显性）
株高（高对矮为显性）
叶形（宽叶对窄叶为显性）
控制基因
A、a
C、c
D、d
基因的位置
第3号染色体
第5号染色体
第6号染色体
A.红花矮茎窄叶植株、白花高茎窄叶植株，杂交育种
B．红花高茎窄叶植株、白花高茎窄叶植株，诱变育种
C．红花矮茎窄叶植株、白花高茎窄叶植株，基因工程育种
D．红花高茎窄叶植株、白花高茎窄叶植株，单倍体育种
A[根据题意可知，选择红花矮茎窄叶植株（AAccdd）、白花高茎窄叶（aaCCdd）植株为亲本，进行杂交育种获得纯隐性性状的植株（aaccdd）只需要两年时间，并且方法比较简单，A正确；诱变育种利用的原理为基因突变，由于基因突变具有不定向性，因此能够得到目标植株还不确定，并且时间长短也是未知，此法不可取，B错误；利用基因工程技术育种，技术比较繁琐，不符合题干中的“简捷”，C错误；单倍体育种和杂交育种相比，时间比较短，但是操作过程比杂交育种复杂，D错误。
]
如何根据育种目标确定育种方法
育种目标
育种方案
集中双亲优良性状
单倍体育种（明显缩短育种年限）
杂交育种（耗时较长，但简便易行）
对原品系实施“定向”改造
基因工程及植物细胞工程（植物体细胞杂交）育种
让原品系产生新性状（无中生有）
诱变育种（可提高变异频率，期望获得理想性状）
使原品系营养器官“增大”或“加强”
多倍体育种
考点二|基因工程的操作工具及步骤
1．概念
基因工程别名
基因拼接技术或DNA重组技术
操作环境
生物体外
操作对象
DNA分子
操作水平
DNA分子水平
基本过程
剪切、拼接、导入、表达
结果
定向改造生物的遗传性状，获得人类需要的优良性状
2.原理
不同生物之间的基因重组。
3．工具
（1）剪刀与针线（如图）
①基因的“剪刀”：
限制性核酸内切酶，如图a。
②基因的“针线”：
DNA连接酶，如图b。
（2）基因的“运输工具”：
运载体，常用质粒、噬菌体、动植物病毒等。
4．基本步骤
5．应用
（1）育种，如抗虫棉。
（2）药物研制，如胰岛素等。
（3）环境保护，如转基因细菌分解石油。
6．转基因生物和转基因食品的安全性——“两种态度”
（1）转基因生物和转基因食品不安全，要严格控制；
（2）转基因生物和转基因食品安全，应该大范围推广。
1．判断下列有关基因工程原理的叙述的正误。
（1）为达到相应目的，“携带链霉素抗性基因受体菌的筛选”必须通过分子检测。
（×）
【提示】根据受体菌是否对链霉素产生抗性进行筛选，不需要分子检测。
（2）载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因。
（×）
【提示】载体质粒上抗生素抗性基因可作为标记基因，供重组DNA的鉴定和选择，不是抗生素合成基因。
（3）转基因作物被动物食用后，目的基因会转入动物体细胞中。
（×）
【提示】动物食入转基因植物后，其消化系统能将植物基因分解成小分子物质，基因不能转入动物体细胞中。
（4）将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株，属于基因工程。
（√）
（5）DNA连接酶和限制酶是基因工程中两类常用的工具酶。
（√）
（6）自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后，其DNA整合到细菌DNA上属于基因工程。
（×）
【提示】基因工程是在人为作用下进行的，噬菌体感染细菌无人为因素，所以不属于基因工程。
（7）没有限制酶就无法使用质粒运载体。
（√）
2．据图填空。
下图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图，请据图作答。
（1）图中基因工程的基本过程可以概括为“四步曲”：
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。
（2）能否利用人的皮肤细胞来完成①过程？
不能，为什么？
皮肤细胞中的胰岛素基因未表达（或未转录），不能形成胰岛素mRNA。
（3）过程②必需用的酶是逆转录酶。
（4）在利用A、B获得C的过程中，常用限制性核酸内切酶切割B，使它产生一定的黏性末端，再加入DNA连接酶才可形成C。
1．基因工程操作工具
（1）限制性核酸内切酶（简称限制酶）
①分布：
主要在微生物体内。
②特性：
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。
③实例：
EcoRⅠ限制酶能专一识别GAATTC序列，并在G和A之间将这段序列切开。
④切割结果：
产生两个带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，能将外来的DNA切断，对自己的DNA无损害。
（2）DNA连接酶
①催化对象：
两个具有相同黏性末端或平末端的DNA片段。
②催化位置：
脱氧核糖与磷酸之间的缺口。
③催化结果：
形成重组DNA。
（3）常用的运载体——质粒
①本质：
小型环状DNA分子。
②作用：
a．作为运载工具，将目的基因运送到受体细胞中去；
b．用它在受体细胞内对目的基因进行大量复制。
③条件：
a．能在受体细胞内稳定保存并大量复制；
b．有多个限制酶切点；
c．有标记基因。
2．对基因工程步骤的五点说明
（1）限制酶和DNA连接酶的作用部位都是脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，只是前者切开，后者连接。
（2）要想从DNA上切下某个基因，应切2个切口，产生4个黏性末端。
（3）获取目的基因、切割运载体需要用同一种限制酶，目的是产生相同的黏性末端。
（4）将目的基因导入受体细胞，没有涉及碱基互补配对。
（5）动物一般用受精卵作为受体细胞；植物一般用体细胞作为受体细胞，再通过植物组织培养方式形成新个体；微生物常用不致病的大肠杆菌作为受体细胞。
视角考查基因工程的原理及应用
为增加油菜种子的含油量，研究人员尝试将酶D基因与位于叶绿体膜上的转运肽基因相连，导入油菜细胞并获得了转基因油菜品种。
（1）外源基因导入受体细胞，常用的运载体有____________________。
（2）欲获取转运肽基因，所需三种限制酶（ClaⅠ、SacⅠ、XbaⅠ）的切点如图所示。
则用________和________酶处理两个酶D基因和转运肽基因后，可得到________端与________端（填图中字母）相连的融合基因。
（3）将上述融合基因插入图所示Ti质粒的T－DNA中，构建________并导入农杆菌中。
将获得的农杆菌接种在含________的固体平板上培养得到含融合基因的单菌落，再利用液体培养基震荡培养，可以得到用于转化的侵染液。
（4）剪取油菜的叶片放入侵染液中一段时间，此过程的目的是________________________，进一步筛选后获得转基因油菜细胞，该细胞通过____________技术，可培育成转基因油菜植株。
【解析】
（1）外源基因导入受体细胞，目前常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。
（2）读图知，切割酶D基因与转运肽基因的限制酶中相同的为ClaⅠ限制酶，因此对两种基因处理时用ClaⅠ限制酶切割，然后用DNA连接酶进行连接，继而可得到A、D端相连的融合基因。
（3）将上述融合基因插入图所示Ti质粒的T－DNA中，构建表达载体即重组质粒并导入农杆菌中。
将获得的农杆菌接种在含四环素的固体平板上培养得到单菌落，再利用液体培养基震荡培养，可以得到用于转化的侵染液。
（4）剪取油菜的叶片放入侵染液中一段时间，此过程的目的是利用农杆菌将融合基因导入油菜细胞，进一步筛选后获得转基因油菜细胞，该细胞通过植物组织培养技术，可培育成转基因油菜植株。
【答案】
（1）质粒、噬菌体和动植物病毒
（2）ClaⅠDNA连接AD（3）基因表达载体（或“重组质粒”）四环素（4）利用农杆菌将融合基因导入油菜细胞植物组织培养
真题验收|感悟高考淬炼考能
1．（2013·大纲全国卷）下列实践活动包含基因工程技术的是（）
A．水稻F1花药经培养和染色体加倍，获得基因型纯合新品种
B．抗虫小麦与矮秆小麦杂交，通过基因重组获得抗虫矮秆小麦
C．将含抗病基因的重组DNA导入玉米细胞，经组织培养获得抗病植株
D．用射线照射大豆使其基因结构发生改变，获得种子性状发生变异的大豆
C[A项属于单倍体育种，原理是染色体变异；B项属于杂交育种，原理是基因重组；C项属于基因工程，原理是基因重组；D项属于诱变育种，原理是基因突变。
]
2．（2014·全国卷Ⅰ）现有两个纯合的某作物品种：
抗病高秆（易倒伏）和感病矮秆（抗倒伏）品种。
已知抗病对感病为显性，高秆对矮秆为显性，但对于控制这两对相对性状的基因所知甚少。
回答下列问题：
（1）在育种实践中，若利用这两个品种进行杂交育种，一般来说，育种目的是获得具有________优良性状的新品种。
（2）杂交育种前，为了确定F2代的种植规模，需要正确预测杂交结果。
若按照孟德尔遗传定律来预测杂交结果，需要满足3个条件：
条件之一是抗病与感病这对相对性状受一对等位基因控制，且符合分离定律；其余两个条件是______________________________________________________________。
（3）为了确定控制上述这两对性状的基因是否满足上述3个条件，可用测交实验来进行检验，请简要写出该测交实验的过程。
【解析】
（1）杂交育种能将两个或多个品种的优良性状通过杂交集中在一起，抗病与矮秆（抗倒伏）为优良性状。
（2）杂交育种依据的原理是基因重组，控制两对相对性状的基因位于非同源染色体上，遵循基因的自由组合定律，每对基因单独考虑时符合分离定律。
（3）测交是指用F1和隐性纯合子杂交，故应先用纯合的抗病高秆植株与感病矮秆植株杂交得到F1，然后再进行测交实验。
【答案】
（1）抗病矮秆
（2）高秆与矮秆这对相对性状受一对等位基因控制，且符合分离定律；控制这两对相对性状的基因位于非同源染色体上
（3）将纯合的抗病高秆植株与感病矮秆植株杂交，产生F1，让F1与感病矮秆植株杂交。
3．（2015·天津高考）白粉菌和条锈菌能分别导致小麦感白粉病和条锈病，引起减产。
采用适宜播种方式可控制感病程度。
下表是株高和株型相近的小麦A、B两品种在不同播种方式下的试验结果。
试验编号
播种方式
植株密度（×106株/公顷）
白粉病
感染程度
条锈病
感染程度
单位面
积产量
A品种
B品种
Ⅰ
单播
4
0
－
＋＋＋
＋
Ⅱ
单播
2
0
－
＋＋
＋
Ⅲ
混播
2
2
＋
＋
＋＋＋
Ⅳ
单播
0
4
＋＋＋
－
＋
Ⅴ
单播
0
2
＋＋
－
＋＋
注：
“＋”的数目表示感染程度或产量高低；“－”表示未感染。
据表回答：
（1）抗白粉病的小麦品种是________，判断依据是____________________
______________________________________________________________。
（2）设计Ⅳ、Ⅴ两组试验，可探究___________________________________。
（3）Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ三组相比，第Ⅲ组产量最高，原因是_________________
______________________________________________________________。
（4）小麦抗条锈病性状由基因T/t控制，抗白粉病性状由基因R/r控制，两对等位基因位于非同源染色体上。
以A、B品种的植株为亲本，取其F2中的甲、乙、丙单株自交，收获籽粒并分别播种于不同处理的试验小区中，统计各区F3中的无病植株比例。
结果如下表。
无菌
水
以条锈菌
进行感染
以白粉菌
进行感染
以条锈菌＋白粉菌进
行双感染
甲
100
25
0
0
乙
100
100
75
75
丙
100
25
75
？
据表推测，甲的基因型是________，乙的基因型是________，双菌感染后丙的子代中无病植株的比例为________。
【解析】
（1）根据试验Ⅰ、Ⅱ单播A品种，感染条锈病而未感染白粉病，可证明A品种具有抗白粉病的性状。
（2）试验Ⅳ、Ⅴ相比，自变量为植株密度，因变量为白粉病感染程度和单位面积产量，所以两者对照可探究植株密度对B品种小麦感病程度及产量的影响。
（3）由表可知Ⅲ组为A、B品种小麦混播，其感病程度最低，产量最高。
（4）由表中F3无病植株的比例数据可知：
甲自交后代中抗条锈病个体占25%，乙自交后代中抗白粉病的个体占75%，可说明抗条锈病为隐性性状，抗白粉病为显性性状。
依据甲自交后代抗白粉病个体比例为0，抗条锈病个体比例为25%，可推测甲的基因型为Ttrr。
依据乙自交后代抗条锈病个体比例为100%，抗白粉病个体比例为75%，可推测乙的基因型为ttRr。
根据丙自交后代中抗条锈病个体占25%，抗白粉病个体占75%，可知丙的基因型为TtRr，其自交后代中无病植株即基因型为ttR_的植株占3/16，即18.75%。
【答案】
（1）AⅠ、Ⅱ组小麦未感染白粉病
（2）植株密度对B品种小麦感病程度及产量的影响
（3）混播后小麦感病程度下降
（4）TtrrttRr18.75%（或3/16）
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。
6DNA连接酶的作用是在DNA片段之间的磷酸与脱氧核糖之间形成磷酸二酯键。
7．基因工程育种能定向改造生物性状。
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