高中生物选修3细胞工程.docx

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高中生物选修3细胞工程

第35讲　细胞工程

[考纲明细]　1.植物的组织培养（Ⅱ）　2.动物细胞培养与体细胞克隆（Ⅱ）　3.细胞融合与单克隆抗体（Ⅱ）

考点1　植物组织培养与植物体细胞杂交

1．细胞工程的概念与理论基础

（1）细胞工程

①操作水平：

细胞水平或细胞器水平。

②目的：

按照人的意愿来改变细胞内的

遗传物质或获得

细胞产品。

（2）植物细胞的全能性

①概念：

具有某种生物全部

遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成

完整生物体的潜能。

②原理：

细胞内含有本物种的

全套遗传信息。

③全能性表达条件：

具有完整的细胞结构，处于

离体状态，提供一定的

营养、激素和其他适宜外界条件。

④细胞全能性大小与细胞分化程度成反比。

⑤全能性大小：

植物细胞：

受精卵＞生殖细胞＞体细胞

动物细胞：

受精卵＞生殖细胞＞体细胞核（动物细胞全能性受限制，但细胞核具有全能性）

2．植物组织培养

（1）理论基础：

植物细胞的

全能性。

（2）操作流程

①离体的器官、组织或细胞常称为

外植体。

②a过程为

脱分化，b过程为

再分化，A表示

愈伤组织，B表示

丛芽或胚状体。

3．植物体细胞杂交

（1）概念：

将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成

新的植物体的技术。

（2）原理：

体细胞杂交利用了细胞膜的

流动性，杂种细胞培育成杂种植株利用了植物细胞的

全能性。

（3）过程

4．植物细胞工程的实际应用

（1）植物繁殖的新途径

①微型繁殖：

用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。

特点

②作物脱毒技术：

是选取作物无毒组织（如茎尖）进行组织培养，获得脱毒苗的技术。

③人工种子：

以植物组织培养得到的

胚状体、

不定芽、

顶芽和

腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。

（2）作物新品种的培育

①单倍体育种

实质：

花药离体培养过程就是植物组织培养过程。

优点：

后代不发生

性状分离，都是纯合子，能够稳定遗传，明显缩短了

育种年限。

②突变体的利用：

在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断的分生状态，因此容易受到培养条件和外界压力（如射线、化学物质等）的影响而发生突变。

从这些产生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。

（3）细胞产物的工厂化生产

①细胞产物：

蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。

②培养阶段：

愈伤组织阶段。

③技术基础：

植物组织培养技术。

1．（选修3P36“小知识”改编）固体培养基中的无机营养成分包括水分、无机盐；有机营养成分包括小分子糖类、氨基酸等物质。

2．（选修3P38思考与探究T1）为什么“番茄—马铃薯”超级杂交植株没有如科学家所想象的那样地上长番茄、地下结马铃薯？

提示　生物基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以“番茄—马铃薯”超级杂种植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，但这些遗传物质的表达相互干扰，不能再像番茄或马铃薯植株中的遗传物质一样有序表达，杂种植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。

3．（选修3P38思考与探究T2）原生动物眼虫中含有叶绿体，说明植物细胞的细胞器可以在某些动物细胞存活。

据此推测动植物细胞间可以实现杂交吗？

如果可以，设计具体实验方案。

提示　根据眼虫的特点，动物细胞和植物细胞之间在理论上是可以实现杂交的。

具体的实验方案如图所示：

4．人工种皮是保证包裹在其中的胚状体顺利生长成小植株的关键部分，请探讨：

人工种皮中应该具有的有效成分是什么？

为了促进胚状体的生长发育，我们还可以向人工种皮中加入哪些物质？

提示　针对植物种类和土壤等条件，在人工种子的包裹剂中可以加入适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等。

为了促进胚状体的生长发育，还可以向人工种皮中加入一些植物生长调节剂。

题组

　植物组织培养过程

1．（2018·江苏高考）花药离体培养是重要的育种手段。

下图是某二倍体植物花药育种过程的示意图，下列叙述正确的是（　　）

A．为了防止微生物污染，过程①所用的花药需在70%乙醇中浸泡30min

B．过程②的培养基中需添加较高浓度的细胞分裂素以利于根的分化

C．过程③逐步分化的植株中可筛选获得纯合的二倍体

D．过程④应将炼苗后的植株移栽到含有蔗糖和多种植物激素的基质上

答案　C

解析　为了防止微生物污染，过程①所用的花蕾需在70%乙醇中浸泡30s，A错误；过程②的培养基中，当生长素与细胞分裂素的比值适中，且生长素含量高于细胞分裂素时，有利于根的分化，B错误；进行过程③的愈伤组织经过了秋水仙素的处理，故其分化后的植株中可筛选获得纯合的二倍体，C正确；经炼苗后的幼苗是能进行光合作用且能独立进行代谢的植株，故幼苗的生长基质中不用添加蔗糖和多种植物激素，D错误。

2．（2017·海南高考）甲、乙两名同学分别以某种植物的绿色叶片和白色花瓣为材料，利用植物组织培养技术繁殖该植物。

回答下列问题：

（1）以该植物的绿色叶片和白色花瓣作为外植体，在一定条件下进行组织培养，均能获得试管苗，其原理是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

（2）甲、乙同学在诱导愈伤组织所用的培养基中，均加入一定量的蔗糖，蔗糖水解后可得到　　　　　　　　　　　。

若要用细胞作为材料进行培养获得幼苗，该细胞应具备的条件是　　　　　　　　　　（填“具有完整的细胞核”“具有叶绿体”或“已转入抗性基因”）。

（3）图中A、B、C所示的是不同的培养结果，该不同结果的出现主要是由于培养基中两种激素用量的不同造成的，这两种激素是　　　　　　　　　　。

A中的愈伤组织是叶肉细胞经________形成的。

（4）若该种植物是一种杂合体的名贵花卉，要快速获得与原植株基因型和表现型都相同的该种花卉，可用组织培养方法繁殖，在培养时，________（填“能”或“不能”）采用经减数分裂得到的花粉粒作为外植体，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

答案　

（1）绿色叶片和白色花瓣的细胞具有全能性，在一定条件下能发育成完整的植株

（2）葡萄糖、果糖　具有完整的细胞核

（3）细胞分裂素、生长素　脱分化

（4）不能　对杂合体的植株来说，由减数分裂形成的花粉粒的基因型与体细胞的基因型不同，用花粉粒进行组织培养得到的花卉基因型不同于原植株

解析　

（1）植物组织培养的原理是植物细胞具有全能性。

（2）蔗糖水解后可得到葡萄糖、果糖。

用细胞作为材料进行培养获得幼苗，细胞必须具有完整细胞核，才具有发育为个体的一整套遗传信息。

（3）影响植物组织培养的两种主要激素是细胞分裂素和生长素。

愈伤组织是叶肉细胞经脱分化形成的。

（4）由于花粉粒是经减数分裂形成的，其基因型与体细胞的基因型不同，组织培养得到的花卉基因型不同于原植株，导致不能保留亲本性状。

题后归纳

1．植物组织培养的关键

（1）条件：

离体，一定营养物质，激素（生长素、细胞分裂素）等。

（2）培养基状态：

固体培养基（需再分化生根培养基及生芽培养基）

（3）体内细胞未表现全能性的原因：

基因的表达具有选择性。

（4）光照的应用

脱分化阶段不需要给予光照，再分化阶段需要给予光照，以利于叶绿素的形成。

2．植物激素在植物组织培养中的作用

题组

　植物体细胞杂交过程

3．（2019·南充高中检测）白菜、甘蓝均为二倍体，体细胞染色体数目分别为20、18。

“白菜—甘蓝”是用细胞工程的方法培育出来的蔬菜新品种，它具有生长期短、耐热性强和易于储藏等优点。

如图是“白菜—甘蓝”的杂交过程示意图，回答以下问题：

（1）为了得到原生质体需先用________和________来处理白菜细胞和甘蓝细胞。

（2）诱导原生质体融合的方法有多种，常用的物理方法是______________________，融合完成的标志是____________________。

由杂种细胞得到白菜—甘蓝还需要经过组织培养技术，其中需要避光培养的步骤是____________。

（3）如图通过植物体细胞杂交技术获得的“白菜—甘蓝”体细胞染色体数为________；通常情况下，白菜和甘蓝有性杂交是不能成功的，原因是____________________，若对白菜和甘蓝采用杂交育种方法能成功的话，得到的后代应含________条染色体。

（4）植物体细胞杂交技术和传统杂交技术相比的优点是

________________________________________________________________________。

答案　

（1）纤维素酶　果胶酶

（2）离心、振动、电激　再生出新的细胞壁　脱分化

（3）38　存在生殖隔离　19

（4）克服远缘杂交不亲和的障碍，培育作物新品种

解析　

（1）植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，根据酶的专一性原理，可采用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁。

（2）诱导原生质体融合的方法包括：

物理方法（离心、振动、电激）和化学方法（聚乙二醇）；融合完成的标志是再生出新的细胞壁；将杂种细胞培育成杂种植株还需要采用植物组织培养技术，包括脱分化和再分化两个阶段，其中脱分化过程要避光，再分化过程需光。

（3）如图通过植物体细胞杂交技术获得的“白菜—甘蓝”体细胞染色体数为20＋18＝38；通常情况下，由于白菜和甘蓝之间存在生殖隔离，因此白菜和甘蓝有性杂交是不能成功的；若对白菜和甘蓝采用杂交育种方法能成功的话，得到的后代应含

＋

＝19条染色体。

（4）植物体细胞杂交技术和传统杂交技术相比的优点是克服远缘杂交不亲和的障碍，培育作物新品种。

知识拓展

杂种植物遗传物质的变化

（1）遗传特性：

杂种植株中含有两种植物的遗传物质，故杂种植株具备两种植物的遗传特性。

（2）染色体组数

①染色体组数＝两种植物体细胞内染色体组数之和。

②植物体细胞杂交形成的杂种植株，有几个染色体组就称为几倍体。

③若一植物细胞含有2x条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb，另一植物细胞含有2y条染色体，2个染色体组，基因型为ccDd，则新植株应为异源四倍体，其体细胞中染色体为（2x＋2y）条，4个染色体组，基因型为AabbccDd。

考点2　动物细胞培养与动物体细胞核移植

1．动物细胞培养

（1）动物细胞工程常用的技术手段：

动物细胞培养、

动物细胞核移植、

动物细胞融合、

生产单克隆抗体等，其中

动物细胞培养技术是其他工程技术的基础。

（2）动物细胞培养

①原理：

细胞增殖。

②过程

③条件

a．无菌、无毒的环境：

对

培养液和

所有培养用具进行

无菌处理。

通常在细胞培养液中还要添加一定量的

抗生素，其目的是

防止培养过程中的污染。

此外，应定期更换培养液，目的是

防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成伤害。

b．营养：

合成培养基中有糖、

氨基酸、

促生长因子、无机盐、微量元素等，需加

血清、

血浆等一些天然成分。

c．温度和pH：

哺乳动物适宜温度为

36.5±0.5_℃，pH为

7.2～7.4。

d．气体环境：

95%的空气加

5%的CO2的混合气体。

CO2的主要作用是

维持培养液的pH。

④应用

a．生产

生物制品，如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等。

b．应用于

基因工程。

c．检测

有毒物质，判断某种物质的毒性；用于

生理、病理、药理等方面的研究。

2．动物体细胞核移植技术和克隆动物

（1）原理：

动物

体细胞核具有全能性。

（2）过程

（3）结果：

产生新个体。

（4）应用

①加速家畜

遗传改良进程，促进优良畜群繁育；

②保护

濒危物种；

③生产医用蛋白；

④作为异种移植的

供体；

⑤用于组织器官的

移植。

1．（选修3P49讨论T1改编）进行核移植时，为什么要选用去核的MⅡ期的卵母细胞？

提示　去核目的是使核移植后得到的胚胎或动物的主要遗传物质全部来自有重要利用价值的动物提供的体细胞；核移植时选MⅡ期卵母细胞的原因有：

①此类细胞体积大，易于操作；②卵黄多，可为胚胎发育提供充足的营养；③卵母细胞的细胞质中存在激发细胞核全能性表达的物质。

2．（选修3P49讨论T2）用于核移植的供体细胞一般都选用传代10代以内的细胞，想一想，这是为什么？

提示　培养的动物细胞一般当传代至10～50代左右时，部分细胞核型可能会发生变化，其细胞遗传物质可能会发生突变，而10代以内的细胞一般能保持正常的二倍体核型。

因此，在体细胞核移植中，为了保证供体细胞正常的遗传基础，通常采用传代10代以内的细胞。

3．（选修3P49讨论T3）用体细胞核移植的方法生产的克隆动物，是对体细胞供体动物进行了100%复制吗？

为什么？

提示　不是。

克隆动物绝大部分DNA来自于供体细胞核，但其核外还有少量的DNA，即线粒体中的DNA来自于受体卵母细胞。

所以，用教材中所述的方法生产的克隆动物不是对体细胞供体动物进行的100%的复制。

此外，即便动物的遗传基础完全相同，但动物的一些行为、习性的形成与所处环境有很大关系，体细胞供体动物生活的环境与克隆动物所生活的环境不会完全相同，其形成的行为、习性也不可能和体细胞供体动物完全相同，从这一角度看，克隆动物也不会是对体细胞供体动物100%的复制。

4．（选修3P44旁栏思考）用胰蛋白酶分散细胞，说明细胞间的物质主要是什么？

用胃蛋白酶行吗？

提示　用胰蛋白酶分散细胞，说明细胞间的物质主要是蛋白质。

胃蛋白酶作用的适宜pH约为2，当pH大于6时，胃蛋白酶就会失去活性。

多数动物细胞培养的适宜pH为7.2～7.4，胃蛋白酶在此环境中没有活性。

5．（选修3P44寻根问底改编）胰蛋白酶处理动物组织，会把细胞消化掉吗？

为什么？

提示　短时间内不会被消化，原因是细胞表面具有糖蛋白，对细胞具有一定的保护作用。

长时间后细胞会被消化，原因是细胞表面糖蛋白的保护作用是有限的；细胞膜的主要成分包括磷脂和蛋白质，蛋白质可被胰蛋白酶水解。

6．（选修3P50思考与探究T2）动物细胞培养需不需要经过脱分化过程，又为什么呢？

提示　动物细胞培养不用经过脱分化过程。

因为高度分化的动物细胞发育潜能变小，失去了发育成完整个体的能力，因此，进行动物细胞培养不以形成完整个体为目的，没有类似于植物组织培养时的脱分化过程。

题组

　动物细胞培养过程

1．某研究小组为测定某种药物对体外培养细胞的毒性，准备对某种动物的肝肿瘤细胞（甲）和正常肝细胞（乙）进行动物细胞培养。

下列叙述正确的是（　　）

A．制备肝细胞悬液时，可用胃蛋白酶处理肝组织块

B．恒温培养箱中的CO2浓度维持在5%左右，以促进细胞呼吸

C．为了保证细胞培养所需的无毒环境，需大量添加各种抗生素

D．本实验应设置对照实验，以检测药物对甲、乙细胞的毒性大小

答案　D

解析　在利用肝组织块制备肝细胞悬液时，常用胰蛋白酶，不能使用胃蛋白酶，因为胃蛋白酶需要在强酸环境下才能起作用，但这样的环境不适于细胞生存，A错误；细胞培养应在含5%CO2的恒温培养箱中进行，CO2的作用是维持培养液的pH，B错误；抗生素是用来杀菌的，大量添加对细胞有害，C错误；本实验应设置对照实验，用添加药物的培养液分别培养甲、乙细胞，根据死亡细胞占培养细胞的比例，以检测药物对甲、乙的毒性大小，D正确。

2．下列有关动物细胞培养的叙述，错误的是（　　）

A．恶性肿瘤细胞系具有不死性和失去接触抑制等特性

B．利用液体培养基和CO2培养箱，模拟动物体的内环境

C．因细胞具有相互依存关系，细胞克隆需饲养细胞支持生长

D．细胞株没有差异性，在连续传代过程中遗传性状始终保持稳定

答案　D

解析　恶性肿瘤细胞系能无限繁殖，细胞表面糖蛋白减少，细胞之间的黏着性降低，即具有不死性和失去接触抑制等特性，A正确；动物细胞培养时模拟动物体的内环境，需要液体培养基（糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等，还需加入血清、血浆等天然物质）和CO2培养箱（95%空气和5%的CO2），B正确；饲养细胞为动物细胞培养提供分化抑制因子，维持分裂状态，做为细胞分裂增殖的营养细胞，C正确；细胞株传到50左右不能再继续传代，部分细胞遗传物质改变，具有癌变细胞的特点，可以在培养条件下无限制的传代下去，D错误。

题组

　动物体细胞核移植

3．下列关于动物体细胞核移植技术和克隆动物的叙述，正确的是（　　）

A．目前在实验中，科学家可以用类似植物组织培养的方法获得完整的动物个体

B．体细胞的细胞核移植到受体细胞之前，要先去掉受体卵母细胞的核

C．用于核移植的供体细胞一般都选用传代50代以内的细胞

D．用体细胞核移植方法生产的克隆动物是对体细胞供体动物进行100%的复制

答案　B

解析　目前在实验中，科学家还不可以直接把动物细胞培养成完整的动物个体，A错误；用于核移植的供体细胞一般都选用传代10代以内的细胞，因为10代内的细胞能保持正常的二倍体核型，C错误；用体细胞核移植方法生产的克隆动物，并没有对体细胞供体动物进行100%的复制，因为还有部分遗传物质来自受体卵母细胞的细胞质，并且生物的性状还受环境影响，D错误。

4．（2018·全国卷Ⅲ）2018年《细胞》期刊报道，中国科学家率先成功地应用体细胞对非人灵长类动物进行克隆，获得两只克隆猴——“中中”和“华华”。

回答下列问题：

（1）“中中”和“华华”的获得涉及核移植过程，核移植是指__________________________________________。

通过核移植方法获得的克隆猴，与核供体相比，克隆猴体细胞的染色体数目__________（填“减半”“加倍”或“不变”）。

（2）哺乳动物的核移植可以分为胚胎细胞核移植和体细胞核移植，胚胎细胞核移植获得克隆动物的难度__________（填“大于”或“小于”）体细胞核移植，其原因是____________________________________。

（3）在哺乳动物核移植的过程中，若分别以雌性个体和雄性个体的体细胞作为核供体，通常，所得到的两个克隆动物体细胞的常染色体数目________（填“相同”或“不相同”），性染色体组合________（填“相同”或“不相同”）。

答案　

（1）将动物的一个细胞的细胞核，移入一个已去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎，这个新的胚胎最终发育为动物个体　不变

（2）小于　胚胎细胞分化程度低，恢复全能性相对容易

（3）相同　不相同

解析　

（1）核移植是指将动物的一个细胞的细胞核，移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎，这个胚胎最后发育成为动物个体。

通过核移植方法获得的克隆猴的细胞核来自供体，因此克隆猴体细胞的染色体数目和供体一致。

（2）胚胎细胞核移植的难度小于体细胞核移植，其原因是动物胚胎细胞分化程度低，恢复其全能性相对容易。

（3）哺乳动物雌性个体和雄性个体的体细胞染色体中常染色体数目相同，性染色体前者是XX，后者是XY，因此分别以雌性个体和雄性个体的体细胞作为核供体，通常所得到的两个克隆动物体细胞的常染色体数目相同，性染色体组合不同。

题后归纳

细胞核移植中的遗传物质及工程技术

1．克隆动物是由重组的细胞经培养而来的，该重组细胞的细胞质基因来源于受体细胞，细胞核基因来源于提供细胞核的亲本，其遗传物质来自2个亲本。

2．动物体细胞核移植技术（克隆）从生殖方式的角度看属于无性生殖，需要动物细胞培养和胚胎工程技术的支持。

考点3　动物细胞融合与单克隆抗体的制备

1．动物细胞融合

（1）原理：

细胞膜具有一定的流动性。

（2）方法：

物理法（离心、振动、电激）、化学法（PEG）和生物法（灭活病毒处理）。

（3）结果：

形成杂交细胞。

（4）意义：

克服了

远缘杂交不亲和的障碍。

（5）应用：

制备单克隆抗体。

2．单克隆抗体制备

（1）血清抗体与单克隆抗体

（2）过程

（3）单克隆抗体的应用

①作为诊断试剂：

能准确识别各种抗原物质的细微差异，并与一定抗原发生特异性结合，具有准确、高效、简易、快速的优点。

②用于治疗疾病和运载药物：

主要用于癌症治疗，可制成“生物导弹”，也有少量用于治疗其他疾病。

（选修3P52生物技术资料卡）灭活病毒诱导细胞融合的原理是什么？

其中的“灭活”的概念是什么？

提示　灭活病毒诱导细胞融合的原理是：

病毒表面含有的糖蛋白和一些酶能够与细胞膜上的糖蛋白发生作用，使细胞互相凝聚，细胞膜上的蛋白质分子和脂质分子重新排布，细胞膜打开，细胞发生融合。

灭活是指用物理或化学手段使病毒或细菌失去感染能力，但是并不破坏这些病原体的抗原结构。

题组

　动物细胞融合过程分析

1．（2018·吉林长白山质检）Ⅱ型糖尿病病因复杂，多数是胰岛素拮抗引起机体对胰岛素的敏感性降低，而胰岛素单克隆抗体可用于快速检测血清胰岛素的含量。

请回答下列有关胰岛素单克隆抗体制备的问题：

（1）首先需要将人胰岛素注射到健康成熟小鼠体内，其目的是获取________________细胞；再将该细胞与____________相融合，以制取杂交瘤细胞；其中诱导融合的常用生物诱导因素是______________。

（2）细胞融合实验完成后，融合体系中除含有未融合的细胞和杂交瘤细胞外，可能还有__________________________等融合细胞。

细胞融合过程体现了细胞膜具有________的特性。

（3）为检验得到的杂交瘤细胞能否分泌胰岛素抗体，可用________与从杂交瘤细胞培养液中提取的抗体杂交。

在体外条件下，当培养的小鼠杂交瘤细胞达到一定密度时，需进行________培养以得到更多数量的细胞。

（4）细胞融合技术的优点是____________________________。

答案　

（1）能分泌抗人胰岛素抗体的B　小鼠骨髓瘤细胞　灭活的病毒

（2）B细胞相互融合形成的细胞、骨髓瘤细胞相互融合形成的细胞　流动性

（3）人胰岛素　传代

（4）突破了有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能

解析　

（1）为了获得能分泌抗人胰岛素抗体的B淋巴细胞，应该将人的胰岛素作为抗原注射到小鼠体内；杂交瘤细胞是由该B淋巴细胞与骨髓瘤细胞诱导融合形成的，常用的生物诱导剂是灭活的病毒，此外也可以用物理或化学方法进行诱导。

（2）若只考虑两两融合的情况，如果体系中存在三种融合细胞，即杂交瘤细胞、B细胞相互融合形成的细胞、骨髓瘤细胞相互融合形成的细胞；两种细胞能够相互融合利用了细胞膜的流动性。

（3）检测杂交瘤细胞产生的胰岛素抗体可以用抗原—抗体杂交法，即用人的胰岛素与从杂交瘤细胞培养液中提取的抗体杂交。

小鼠杂交瘤细胞的培养属于动物细胞培养技术，当细胞数量太多时，需要进行分瓶传代培养，才能获得更多的杂交瘤细胞，进而获得更多的单克隆抗体。

（4）动物细胞融合技术可以让不同的细胞相互融合，突破了有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能。

题后归纳

动物细胞融合与植物体细胞杂交的比较

（1）