第7单元第3讲从杂交育种到基因工程.docx
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第7单元第3讲从杂交育种到基因工程
第3讲__从杂交育种到基因工程
[考纲导学] 1.生物变异在育种上的应用（Ⅱ） 2.转基因食品的安全（Ⅰ）
知识梳理|夯实高考双基
回扣教材
一、杂交育种
1．定义：
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．原理：
基因重组。
3．过程：
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→优良品种。
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
（1）只能利用已有的基因进行重组，不能创造新基因。
（2）杂交后代会出现分离现象，育种进程缓慢。
二、诱变育种
1．定义：
利用物理因素或化学因素来处理生物，使生物发生基因突变。
2．原理：
基因突变。
3．过程：
选择生物→诱发基因突变→选择理想类型→培育。
4．特点
（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。
（3）具有盲目性，需大量处理材料。
5．应用：
培育具有新性状的品种。
三、基因工程及其应用
1．定义：
又叫基因拼接技术或DNA重组技术。
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”—限制性核酸内切酶（简称限制酶）：
识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子。
（2）基因的“针线”—DNA连接酶：
连接脱氧核糖和磷酸之间的缺口。
（3）基因的运载体：
将外源基因送入受体细胞，常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。
3．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．应用
（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．基因工程的安全性
基础自测
1．判断
（1）太空育种能按人的意愿定向产生优良性状。
（×）
（2）诱变育种时突变的个体中有害个体多于有利个体。
（√）
（3）杂交育种和诱变育种都能产生前所未有的新基因，创造变异新类型。
（×）
（4）杂合子品种的种子只能种一年，需要年年制种。
（√）
（5）采用诱变育种可改良缺乏某种抗病性的水稻品种。
（√）
（6）没有限制酶就无法使用质粒运载体。
（√）
（7）我国已经对转基因食品和转基因农产品强制实施了产品标识制度。
（√）
（8）重组质粒中每个限制酶识别位点至少插入一个目的基因。
（×）
（9）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。
（×）
2．小麦高茎（D）对矮茎（d）为显性，抗锈病（T）对不抗锈病（t）为显性（两对基因独立遗传）。
现有高茎抗锈病纯合子和矮茎不抗锈病纯合子两个亲本，要想获得矮茎抗锈病的纯合新品种，育种专家提出了两种育种方案。
如下图所示，请回答下列问题：
（1）图中
（一）、
（二）所示过程在遗传学上分别叫________和________。
（2）图中表示的两种常见的育种方法是____________育种和________育种，其中哪种育种方法较为理想？
________，其优越性是_____________________。
（3）图中（四）处理的方法是_________________________________________，
目的是_________________________________________________________
______________________________________________________________。
（4）图中
（二）产生的矮茎抗锈病的个体比例是________，ddT_中能够稳定遗传的个体占________。
【解析】
（1）
（2）方案甲是用两个纯合的亲本进行杂交，获得杂种一代，通过对杂种后代的不断优选自交，获得所需的能够稳定遗传的个体，属于杂交育种；而方案乙只利用了其中的一个亲本，经过（四）获得新个体（ddTt），由于基因T是亲本中所没有的，因此只能来自基因突变，由于基因突变具有不定向性，多数是不利的变异，因而影响育种效率。
而杂交育种目的性更强一些。
（3）诱发基因突变可以用物理或化学的方法，诱变育种的特点是能够提高突变的频率，增加所需性状出现的概率。
（4）DdTt自交，所得后代中性状符合要求的占3/16，ddT_中能够稳定遗传的个体占1/3。
【答案】
（1）杂交 自交
（2）杂交 诱变 杂交育种 目的性强，能够将多个品种的优良性状集中在一起
（3）用物理方法或化学方法诱发基因突变 提高变异频率，获得所需要的变异个体
（4）3/16 1/3
3．农业科技工作者在烟草中找到一抗病基因，现拟采用基因工程技术将该基因转入棉花，培育抗病棉花品系。
请回答下列问题：
（1）要获得该抗病基因，可采用______、______等方法。
为了能把抗病基因转入棉花细胞中，常用的运载体是________。
（2）要使运载体与该抗病基因连接，首先应使用________进行切割。
假如运载体被切割后，得到的分子末端序列为
，则能与该运载体连接的抗病基因分子末端是________。
A.
B.
C.
D.
（3）切割完成后，采用________酶将运载体与该抗病基因连接，连接后得到的DNA分子称为________。
（4）再将连接得到的DNA分子导入农杆菌，然后用该农杆菌去________棉花细胞，利用植物细胞具有的________性进行组织培养，从培养出的植株中________出抗病的棉花。
（5）该抗病基因在棉花细胞中表达的产物是________。
A．淀粉 B．脂质
C．蛋白质 D．核酸
（6）转基因棉花获得的______是由该表达产物来体现的。
【答案】
（1）从细胞中分离 人工合成 Ti质粒
（2）限制性内切酶（限制酶） A
（3）DNA连接 重组DNA分子
（4）感染 全能 筛选（选择）
（5）C
（6）抗病性状
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重点突破|领悟高考方向
重点1 遗传育种的原理及应用
[典例导悟1]
（2015·浙江高考）某自花且闭花授粉植物，抗病性和茎的高度是独立遗传的性状。
抗病和感病由基因R和r控制，抗病为显性；茎的高度由两对独立遗传的基因（D、d，E、e）控制，同时含有D和E表现为矮茎，只含有D或E表现为中茎，其他表现为高茎。
现有感病矮茎和抗病高茎两品种的纯合种子，欲培育纯合的抗病矮茎品种。
请回答：
（1）自然状态下该植物一般都是________合子。
（2）若采用诱变育种，在γ射线处理时，需要处理大量种子，其原因是基因突变具有________和有害性这三个特点。
（3）若采用杂交育种，可通过将上述两个亲本杂交，在F2等分离世代中________抗病矮茎个体，再经连续自交等________手段，最后得到稳定遗传的抗病矮茎品种。
据此推测，一般情况下，控制性状的基因数越多，其育种过程所需的________。
若只考虑茎的高度，亲本杂交所得的F1在自然状态下繁殖，则理论上F2的表现型及其比例为________。
（4）若采用单倍体育种，该过程涉及的原理有________。
请用遗传图解表示其过程（说明：
选育结果只需写出所选育品种的基因型、表现型及其比例）。
【解析】
（1）杂合子连续自交，后代纯合子比例逐渐增加，杂合子比例逐渐减小。
因此，自然状态下闭花授粉（连续自交）的植物一般都是纯合子。
（2）基因突变有多方向性、稀有性和有害性等特点，这决定了诱变育种需处理大量的材料。
（3）杂交育种一般通过杂交、选择、纯合化手段培育新品种，控制性状的基因数越多，通过自交进行纯合化的时间会越长。
根据题干信息可知，两个亲本感病矮茎和抗病高茎的基因型分别为rrDDEE和RRddee，若只考虑茎的高度，杂交得到的F1的基因型为DdEe，则F1自交后代F2有3种表现型：
矮茎、中茎、高茎，其比例为9（D__E__）∶6（3D__ee、3ddE__）∶1（1ddee）。
（4）单倍体育种的过程包括花药离体培养和染色体加倍两个过程，其中涉及基因重组、染色体畸变等原理。
单倍体育种的遗传图解见答案。
【答案】
（1）纯
（2）多方向性、稀有性 （3）选择 纯合化 年限越长 高茎∶中茎∶矮茎＝1∶6∶9 （4）基因重组和染色体畸变
[考点精讲]
几种育种方法的比较
名称
原理
方法
优点
缺点
应用
杂交
育种
基因
重组
培育纯合子品种：
杂交→自交→筛选出符合要求的表现型，自交到不发生性状分离为止（纯合子）
使分散在同一物种不同品种中的多个优良性状集中于同一个体上，即“集优”
①育种时间长
②局限于同一种或亲缘关系较近的个体
用纯种高秆抗病小麦与矮秆不抗病小麦培育矮秆抗病小麦
培育杂种优势品种：
一般是选取纯合双亲杂交
年年制种
杂交水稻、玉米
诱变
育种
基因
突变
①物理：
紫外线、X射线或γ射线，微重力、激光等处理，再筛选；
②化学：
亚硝酸、硫酸二乙酯处理，再选择
提高变异频率，加快育种进程，大幅度改良某些性状
有利变异少，需处理大量实验材料（有很大盲目性）
高产青霉菌，“黑农五号”大豆品种等的培育和高产雄性家蚕的培育
单倍体
育种
染色体数
目变异
①先杂交，使优良性状集中于同一个体；
②先花药离体培养，培养出单倍体幼苗；
③将单倍体幼苗经一定浓度的秋水仙素处理获得纯合子；④从中选择优良植株
明显缩短育种年限，子代均为纯合子，加速育种进程
技术复杂且需与杂交育种配合
用纯种高秆抗病小麦与矮秆不抗病小麦快速培育矮秆抗病小麦
多倍体
育种
染色体数
目变异
用一定浓度的秋水仙素处理萌发的种子或幼苗
操作简单，能较快获得所需品种
所获品种发育延迟，结实率低，一般只适用于植物
三倍体无子西瓜、八倍体小黑麦
基因工
程育种
基因
重组
提取目的基因→转入运载体→导入受体细胞→目的基因的表达与检测→筛选出符合要求的新品种
能定向地改变生物遗传性状；目的性强；育种周期短；克服了远缘杂交不亲和的障碍
技术复杂，安全性问题多
转基因“向日葵豆”、转基因抗虫棉
[命题视角]
视角1 不同育种方法的比较
1．假设A、b代表玉米的优良基因，这两种基因是自由组合的。
现有AABB、aabb两个品种，为培育出优良品种AAbb，可采用的方法如图所示，有关叙述不正确的是（ ）
A．由品种AABB、aabb经过①②③过程培育出新品种的育种方式的优点在于可以将多种优良性状集中在一个生物体上
B．与①②③过程的育种方法相比，⑤⑥过程的优势是明显缩短了育种年限
C．图中A_bb的类型经过③过程，子代中AAbb与aabb的数量比是3∶1
D．④过程在完成目的基因和运载体的结合时，必须用到的工具酶是限制性核酸内切酶
【解析】 ④过程在完成目的基因和运载体的结合时，必须用到的工具酶除了限制性核酸内切酶外还需DNA连接酶，D错误。
【答案】 D
视角2 育种原理的应用
2．番茄的抗病（R）对感病（r）为显性，高秆（D）对矮秆（d）为显性，控制上述两对相对性状的基因分别位于两对同源染色体上。
为获得纯合高秆抗病番茄植株，研究人员采用了如图所示的方法。
据图分析，正确的是（ ）
A．若过程①的F1自交一代，产生的高秆抗病植株中纯合子占1/9
B．过程②常用一定浓度的秋水仙素处理单倍体的种子
C．过程③应用的原理是细胞增殖
D．过程④“航天育种”方法中主要的变异类型是基因重组
【解析】 ①中的F1基因型为DdRr，自交一代后高秆抗病（D_R_）中纯合子（DDRR）占1/9。
②过程用一定浓度的秋水仙素处理单倍体的幼苗（单倍体植株高度不育，一般不会产生种子），过程③应用的原理是细胞的全能性。
过程④“航天育种”主要变异类型是基因突变。
【答案】 A
重点2 基因工程及其应用
[考点精讲]
1．基因工程操作的基本步骤
↓
↓
将目的基因导入受体细胞
↓
2．基因工程与基因重组
比较项目
基因重组
基因工程
不同点
重组方式
同一物种的不同基因
不同物种间的不同基因
繁殖方式
有性生殖
无性生殖
变异大小
小
大
意义
是生物变异的来源之一，对生物进化有重要意义
使人类有可能按自己的意愿直接定向地改造生物，培育出新品种
相同点
都实现了不同基因间的重新组合，都能使生物产生变异
[命题视角]
视角 基因工程的原理及应用
3．基因工程基本操作流程如图所示，请据图分析回答：
（1）图中A表示运载体，基因工程中最常用的A是________；在基因工程中需要在限制酶和________酶的作用下才能完成剪接过程。
（2）人们成功地将Bt毒蛋白基因导入番茄体内，使番茄获得了与苏云金芽孢杆菌相似的抗虫性状，番茄这种变异是________（选填“基因突变”“基因重组”或“染色体变异”）。
（3）科学家在某种植物中找到了抗枯萎病的基因，并用基因工程的方法将该基因导入金茶花叶片细胞的染色体DNA上，经培养长成的植株具备了抗病性，这说明__________________已表达。
如果把该基因导入叶绿体DNA中，将来产生的配子中________（选填“一定”或“不一定”）含有抗病基因。
【解析】
（1）基因工程最常用的运载体是质粒，重组质粒的构建需要限制酶和DNA连接酶的作用。
（2）基因工程中发生的变异是基因重组。
（3）抗枯萎病的基因导入到金茶花叶片细胞长成的植株具有抗病性，表明目的基因已表达。
如果把该基因导入叶绿体DNA中，由于减数分裂过程中原始生殖细胞的细胞质随机分配，因此产生的配子中不一定含有抗病基因。
【答案】
（1）质粒 DNA连接
（2）基因重组 （3）目的基因（抗枯萎病的基因） 不一定
[心有灵犀]
与DNA有关的酶的作用
1DNA酶：
即DNA水解酶，可以将DNA水解成脱氧核苷酸。
2DNA聚合酶：
在DNA复制过程中，连接单个游离的脱氧核苷酸到DNA片段上，需要模板。
3DNA连接酶：
连接两个DNA片段，形成磷酸二酯键，不需要模板。
4解旋酶：
在DNA复制时，破坏氢键，使DNA双链打开。
5限制酶：
破坏脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。
当堂验收|提升高考考能
1．（2013·四川高考）大豆植株的体细胞含40条染色体。
用放射性60Co处理大豆种子后，筛选出一株抗花叶病的植株X，取其花粉经离体培养得到若干单倍体植株，其中抗病植株占50%。
下列叙述正确的是（ ）
A．用花粉离体培养获得的抗病植株，其细胞仍具有全能性
B．单倍体植株的细胞在有丝分裂后期，共含有20条染色体
C．植株X连续自交若干代，纯合抗病植株的比例逐代降低
D．放射性60Co诱发的基因突变，可以决定大豆的进化方向
【解析】 本题要求正确把握有丝分裂和减数分裂过程中染色体的变化规律，同时明确植物细胞全能性的概念。
大豆体细胞含40条染色体，减数分裂产生的花粉经离体培养，得到的单倍体植株细胞含有20条染色体，但仍含有发育成完整个体的全部遗传信息，所以具有全能性，A项正确；单倍体植株细胞含20条染色体，在有丝分裂后期由于着丝点分裂，姐妹染色单体分开变成染色体，染色体数暂时加倍，变为40条，B项错误；因为植株X的花粉离体培养得到的单倍体有50%抗病，说明植株X为杂合子，杂合子自交，随着自交代数增加，纯合子逐代增多，C项错误；基因突变只能为自然选择提供原始材料，自然选择决定了生物进化的方向，D项错误。
【答案】 A
2．（2014·安徽高考）香味性状是优质水稻品种的重要特性之一。
（1）香稻品种甲的香味性状受隐性基因（a）控制，其香味性状的表现是因为__
_______________________________________________________________，
导致香味物质积累。
（2）水稻香味性状与抗病性状独立遗传。
抗病（B）对感病（b）为显性。
为选育抗病香稻新品种，进行了一系列杂交实验。
其中，无香味感病与无香味抗病植株杂交的统计结果如图所示，则两个亲代的基因型是______________。
上述杂交的子代自交，后代群体中能稳定遗传的有香味抗病植株所占比例为________。
（3）用纯合无香味植株作母本与香稻品种甲进行杂交，在F1中偶尔发现某一植株具有香味性状。
请对此现象给出两种合理的解释：
①___________________；
②__________________________。
（4）单倍体育种可缩短育种年限。
离体培养的花粉经脱分化形成____________，最终发育成单倍体植株，这表明花粉具有发育成完整植株所需的____________。
若要获得二倍体植株，应在__________时期用秋水仙素进行诱导处理。
【解析】
（1）根据题意分析，a基因控制香味性状的出现，说明a基因纯合时，参与香味物质代谢的某种酶缺失，导致香味物质不能转化为其他物质，从而使香味物质积累。
（2）据图中杂交结果分析，无香味∶有香味＝3∶1，抗病∶感病＝1∶1，可知亲本的基因型为Aabb（无香味感病）、AaBb（无香味抗病），则F1基因型为1/8AABb、1/8AAbb、1/4AaBb、1/4Aabb、1/8aaBb、1/8aabb，其中只有AaBb、aaBb的植株自交才能获得能稳定遗传的有香味抗病植株（aaBB），有香味抗病植株（aaBB）占F2的比例为1/4×1/4×1/4＋1/8×1×1/4＝3/64。
（3）纯合无香味植株基因型为AA，香稻品种甲的基因型为aa，正常情况下两者杂交后代基因型为Aa，表现为无香味，但子代出现了有香味的植株，可能是由于某一雌配子形成时，A基因突变为a基因，在子代中出现了基因型为aa的植株；或者某一雌配子形成时，含A基因的染色体片段缺失，子代由于只含基因a而出现香味性状。
（4）植物组织培养过程中，离体细胞在培养基中先脱分化形成愈伤组织，再通过再分化形成根或芽等，最终形成完整植株。
单倍体育种中，花粉细胞能够表现出全能性是因为花粉细胞中含有该种植物的全部遗传信息。
花药离体培养获得的是单倍体植株，对单倍体幼苗用秋水仙素处理可使幼苗细胞中染色体数目加倍，最终发育为正常的二倍体植株。
【答案】
（1）a基因纯合，参与香味物质代谢的某种酶缺失
（2）Aabb、AaBb 3/64 （3）某一雌配子形成时，A基因突变为a基因 某一雌配子形成时，含A基因的染色体片段缺失 （4）愈伤组织 全部遗传信息 幼苗
3.如图表示利用某种农作物品种①和②培育出⑥的几种方法，据图分析错误的是（ ）
A．过程Ⅵ是用秋水仙素处理正在萌发的种子
B．培育品种⑥的最简捷的途径是Ⅰ→Ⅴ
C．通过Ⅲ→Ⅵ过程育种的原理是染色体变异
D．通过Ⅱ→Ⅳ过程育种最不容易达到目的
【解析】 ⑤ab为单倍体，没有种子，过程Ⅵ是用秋水仙素处理幼苗，A错误；Ⅰ→Ⅴ为杂交育种，培育品种⑥的最简捷的途径是杂交育种，B正确；Ⅲ→Ⅵ过程为单倍体育种，其育种的原理是染色体变异，C正确；Ⅱ→Ⅳ过程为诱变育种，最不容易达到目的，D正确。
【答案】 A
4．科学家在某种农杆菌中找到了抗枯萎病的基因，并以质粒为运载体，采用转基因方法培育出了抗枯萎病的金花茶新品种。
下列有关叙述正确的是（ ）
A．质粒是最常用的运载体之一，质粒的存在与否对受体细胞的生存有决定性作用
B．为了保证金花茶植株抗枯萎病，只能以受精卵细胞作为基因工程的受体细胞
C．抗枯萎病基因进入金花茶细胞后，其传递和表达不再遵循中心法则
D．通过该方法获得的抗枯萎病金花茶，将来产生的花粉中不一定含有抗病基因
【答案】 D
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