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1、第6章 从杂交育种到基因工程,一、杂交育种与诱变育种1.杂交育种(1)含义:将两个或多个品种的优良性状通过_集中在一起,再经过选择和培育,获得新品种的方法。(2)育种原理:_。Zx x k(3)方法:杂交_选种自交。2.诱变育种(1)含义:利用_来处理生物,使生物发生_。(2)育种原理:_。,交配,基因重组,自交,物理因素或化学因素,基因突变,基因突变,3.生物育种原理、方法、实例(连线),二、基因工程及其应用1.基因工程的概念(1)别名:_或_。(2)操作对象:_。(3)操作过程:把一种生物的_提取出来,加以修饰改造,然后放到另一种生物的_里。(4)操作目的:_地改造生物的遗传性状。2.原理
2、Zxx k不同生物之间的_。,基因拼接技术,DNA重组技术,基因,某种基因,细胞,定向,基因重组,3.基因操作的基本工具 基因的“剪刀”：_ 基因的“针线”：_ 基因的“运输工具”：_，常用_、噬菌体、动 植物病毒等,限制性核酸内切酶,DNA连接酶,运载体,质粒,4.基因操作的基本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_目的基因的_。5.基因工程的应用(1)_,如抗虫棉。(2)_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对转基因生物和转基因食品的两种态度:(1)转基因生物和转基因食品不安全,要_;(2)转基因生物和转基因食品是安全的,
3、应该_。,受体细胞,检测与鉴定,药物,严格控制,大范围推广,育种,1.(2008江苏T23B)诱变育种和杂交育种均可形成新基因。()【分析】诱变育种的原理是基因突变,基因突变产生了新的基因,故创造出变异新类型;杂交育种的原理是基因重组,没有产生新的基因,只是实现原有基因的重新组合。2.(2009上海T21C)花药离体培养技术也能培育获得抗锈高产小麦新品种。()【分析】花药离体培养只能得到单倍体植株,必须经过秋水仙素处理使染色体数目加倍,才可能获得高产新品种。,3.(2010全国卷T5D)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。()【分析】基因工程是在人为
4、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。4.(2010浙江T2A)可用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸,进行构建抗除草剂的转基因烟草。()【分析】限制性核酸内切酶可以用来切割获取抗除草剂基因片段,而不能切割烟草花叶病毒的核酸RNA。,5.单倍体育种在所有育种方法中所用的年限最短。()【分析】育种年限的长短取决于所需要的品种,如果需要隐性纯合子,诱变育种所用年限短。6.杂交育种第一步杂交的目的是将两个亲本的优良性状集中到一个个体上。()Z xx k【分析】杂交过程能产生基因重组,使优良的基因集中在一起。,7.太空育种能按人的意愿定向产生优良性状。()【分析】太空育种利用
5、基因突变的原理。基因突变具有不定向性,产生的有害个体多于有利个体。8.在所有的基因工程步骤中都涉及碱基互补配对。()【分析】将重组DNA导入受体细胞中,这一步骤中没有涉及碱基互补配对。,考点一 五种育种方法的比较,【高考警示】不同育种方法需注意的问题(1)原核生物不能进行减数分裂,所以不能运用杂交的方法进行育种,如细菌的育种一般采用的方法是诱变育种。(2)杂交育种不一定需要连续自交。若选育显性优良纯种,需要连续自交筛选,直至性状不再发生分离;若选育隐性优良纯种,则只要出现该性状个体即可。(3)花药离体培养只是单倍体育种中的一个程序,要想得到可育的品种,一般还需要用秋水仙素处理单倍体使染色体加倍
6、。,【典例1】农科所通过如下育种过程培育出了高品质的糯小麦,相关叙述正确的是()A.该育种过程中运用的遗传学原理是基因突变B.要获得yyRR,b过程需要进行连续自交来提高纯合率C.a、c过程都需要使用秋水仙素,都作用于萌发的种子D.a过程能提高突变率,明显缩短育种年限,【解析】选B。如图所示,a为单倍体育种,b为杂交育种,c为多倍体育种。杂交育种的原理是基因重组,单倍体育种和多倍体育种的原理是染色体变异。杂交育种过程中可以通过连续自交来提高纯合率。a过程中秋水仙素作用于单倍体幼苗,c过程中秋水仙素作用于萌发的种子或幼苗。a过程能够缩短育种年限,但不能提高突变率。,【互动探究】(1)通过a过程培
7、育yyRR,需要几年时间?提示:两年。YYRR与yyrr杂交获得YyRr一年;把YyRr种子种下,产生花药,再进行花药离体培养得到单倍体幼苗,进行秋水仙素处理得到yyRR个体,又需要一年。(2)yyRR与YYyyRRrr杂交,能否培育出高品质的糯小麦?提示:不能。其后代是YyyRRr,有三个染色体组,联会紊乱,不能形成正常的配子。,【变式训练】下图表示以某种作物中的和两个品种分别培育出三个新品种的过程,相关叙述正确的是(),A.用和培育成的过程中所采用的方法和分别称为杂交和测交B.用培育出常用的方法是花药离体培养C.培育出常用的是化学或物理的方法进行诱变处理D.图中培育出所依据的原理是基因突变
8、和基因重组【解析】选B。用和培育成的过程中所采用的方法和分别称为杂交和自交。培育出常用的化学药剂是秋水仙素,属于多倍体育种。图中培育出所依据的原理是基因重组和染色体变异。,考点二 基因工程的操作工具及基本步骤1.基因工程操作工具(1)限制性核酸内切酶(简称限制酶):分布:主要在微生物体内。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。实例:EcoR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。切割结果:产生两个带有黏性末端的DNA片段。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:催化对象:两
9、个具有相同黏性末端的DNA片段。催化位置:脱氧核糖与磷酸之间的缺口。催化结果:形成重组DNA。,(3)常用的运载体质粒:本质:小型环状DNA分子。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。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
10、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。,与DNA有关酶的作用(1)DNA酶:即DNA水解酶,可以将DNA水解成脱氧核苷酸。(2)DNA聚合酶:在DNA复制的过程中,连接单个游离的脱氧核苷酸到DNA片段上,需要模板。(3)DNA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)限制性核酸内切酶:破坏脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。,【拓展延伸】,【典例2】下图是利用基因工程技术生产人胰岛素
11、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”:_;_;_;_。(2)能否利用人的皮肤细胞来完成过程?_,为什么?_。(3)过程必需的酶是_酶,过程必需的酶是_酶。(4)若A中共有a个碱基对,其中鸟嘌呤有b个,若过程连续进行4次,至少需提供胸腺嘧啶_个。(5)在利用A、B获得C的过程中,常用_切割A和B,使它们产生_,再加入_,才可形成C。,【解析】(2)图中过程是从细胞中获取相应的mRNA,由于基因的选择性表达,人的皮肤细胞中的胰岛素基因不转录,不表达,因此不能形成胰岛素mRNA。(3)从mRNADNA是逆转录的过程,需要逆转录酶。DNA分子的扩增需用解旋酶
12、将双链DNA解旋为单链。(4)一个DNA分子中的鸟嘌呤(b个)和胸腺嘧啶之和占碱基总数(2a个)的一半,所以一个DNA分子片段中胸腺嘧啶数为(a-b)个。连续复制4次,共产生DNA分子24=16个,由于复制方式为半保留复制,故需要提供的胸腺嘧啶数量为(a-b)(16-1)=15(a-b)。,(5)构建基因表达载体时目的基因与运载体需用同一种限制酶切割,产生相同的黏性末端,才可以在DNA连接酶的作用下连接形成基因表达载体。答案:(1)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)不能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)逆转录解旋
13、(4)15(a-b)(5)同一种限制性核酸内切酶相同的黏性末端DNA连接酶,【互动探究】(1)图中是什么过程?提示:DNA分子扩增,获得大量目的基因。(2)图中从大肠杆菌获得的B结构,其作用是什么?提示:B是质粒,作为运载体,其作用是与目的基因结合,将目的基因导入受体细胞。,【变式训练】(2012郑州四校联考)人们试图利用基因工程的方法,用乙种生物生产甲种生物的一种蛋白质。生产流程是:甲种生物的蛋白质mRNA 目的基因 与质粒DNA重组 导入乙种生物的细胞中 获得甲种生物的蛋白质。下列说法正确的是()A.过程需要的酶是逆转录酶,原料是A、U、G、CB.过程要用限制酶切断质粒DNA,再用DNA连
14、接酶将目的基因与质粒连接在一起C.如果受体细胞是细菌,可以选用枯草杆菌、炭疽杆菌等D.过程中用的原料不含A、U、G、C,【解析】选B。过程是逆转录,利用逆转录酶合成DNA片段,需要的原料是A、T、G、C;过程是目的基因与质粒DNA重组,需要限制酶切断质粒DNA,再用DNA连接酶将目的基因与质粒连接在一起;将重组质粒导入受体细胞时,如果受体细胞是细菌,则不应该用致病菌,而炭疽杆菌是致病菌;过程是基因的表达过程,涉及转录和翻译,原料中含有A、U、G、C四种碱基。,正确理解基因重组与基因工程间的关系,【拓展延伸】,合理选择育种的方法【典例】某植物的基因型为AaBB,通过不同的生物技术可以分别将它转变
15、为以下基因型的植物:AABBaBAaBBCAAaaBBBB则所用到的生物技术排列正确的是()A.诱变育种、转基因技术、花药离体培养、细胞融合B.杂交育种、花药离体培养、转基因技术、多倍体育种C.花药离体培养、诱变育种、多倍体育种、转基因技术D.多倍体育种、花药离体培养、诱变育种、转基因技术,【解析】选B。由于某植物的基因型为AaBB,通过AaBB与A_B_杂交,则可获得基因型为AABB的植物;选取AaBB的花粉进行离体培养,则可获得基因型为aB的单倍体;将外源基因C导入植物的某个细胞中,经组织培养获得基因型为AaBBC的植物;将植物AaBB用秋水仙素处理,则获得基因型为AAaaBBBB的四倍体
16、植物。,【方法归纳】育种目的不同,选择育种方法也不同,具体分析如下:(1)将同一物种两亲本的性状集中到同一生物体上,可利用杂交育种,这是最简便的育种方法。(2)将两物种的优良性状集中在一起,可用基因工程,也可用细胞杂交。(3)若要快速获得纯种,可用单倍体育种方法。(4)若要提高营养物质含量,可用多倍体育种方法。(5)若要培育原物种没有的性状,可用诱变育种和基因工程,其中基因工程是有目的地改良。(6)若培育植物为营养繁殖,如土豆、地瓜等,则只要出现所需性状即可,不需要培育出纯种。,【易错提醒】(1)有些植物如小麦、水稻等,杂交实验较难操作,其最简便的方法是自交。(2)单倍体育种包括两个过程:花药
17、离体培养和秋水仙素处理。如只有花药离体培养则得到单倍体,植株弱小,高度不育。,【变式训练】育种的方法有杂交育种、单倍体育种、诱变育种、多倍体育种、基因工程育种等。下面对这五种育种方式的说法正确的是()A.涉及的原理有基因突变、基因重组、染色体变异B.都不可能产生定向的可遗传变异C.都在细胞水平上进行操作D.都不能通过产生新基因而产生新性状,【解析】选A。杂交育种利用的原理是基因重组,单倍体育种利用的原理是染色体变异,诱变育种利用的原理是基因突变,多倍体育种利用的原理是染色体变异,基因工程育种利用的原理是基因重组。基因工程育种可产生定向的可遗传变异;杂交育种、诱变育种、多倍体育种都是个体水平上的
18、操作,而单倍体育种的花药离体培养属细胞水平的操作,基因工程育种属分子水平上的操作;诱变育种可以产生新基因,进而形成新性状。,1.下列关于育种的叙述中,正确的是()A.培育无子西瓜的原理是生长素促进果实发育B.培育八倍体小黑麦的原理是染色体变异C.青霉素高产菌株的选育原理和杂交育种相同D.培育无子番茄的原理是基因重组【解析】选B。培育无子西瓜的原理是染色体变异。青霉素高产菌株的选育利用了基因突变的原理。无子番茄的获得利用了生长素促进果实发育的原理。八倍体小黑麦的培育原理是染色体变异。,2.下图是基因工程主要技术环节的一个基本步骤,这一步骤需用到的工具是(),A.DNA连接酶和解旋酶B.DNA聚合
19、酶和限制性核酸内切酶C.限制性核酸内切酶和DNA连接酶D.DNA聚合酶和RNA聚合酶【解析】选C。如图所示是目的基因与运载体结合的过程,需要用到的工具是限制性核酸内切酶和DNA连接酶。,3.(2013福州模拟)依据基因重组概念的发展,判断下列图示过程中没有发生基因重组的是(),【解析】选A。普通椒在太空中由于受到微重力、失重、辐射等因素影响,发生基因突变后,继续进行人工培育形成太空椒,所以该过程没有发生基因重组。,4.用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。下列叙述中不正确的是()A.常用相同的限制性核酸内切酶处理目的基因和质粒B.DNA连接酶和RNA聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶C.可用
20、含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒D.导入大肠杆菌的目的基因不一定成功表达,【解析】选B。限制性核酸内切酶具有特异性,能识别特定的核苷酸序列,并在特定的位点切割,切割后留下两个黏性末端,目的基因要连接到质粒上,需要用相同的限制性核酸内切酶处理。DNA连接酶和限制性核酸内切酶用于构建重组质粒,RNA聚合酶的功能是连接核糖核苷酸为RNA,不是重组质粒必需的工具酶。目的基因的检测是利用质粒上的标记基因,如质粒中含有抗青霉素基因,则将用该质粒作运载体的生物放在带有青霉素的培养基中培养,若有抗性,则说明重组质粒导入成功。目的基因导入受体细胞后,不一定能成功表达,有时还需对目的基因进行修饰。
21、,5.下列关于转基因植物的叙述,正确的是()A.转入到油菜的抗除草剂基因,可能通过花粉传入环境中B.转抗虫基因的植物,不会导致昆虫群体抗性基因频率增加C.动物的生长激素基因转入植物后不能表达D.如转基因植物的外源基因来源于自然界,则不存在安全性问题,【解析】选A。若转入到油菜的抗除草剂基因存在于油菜的染色体上,则可能通过花粉传入环境中,由此判断A项正确;转抗虫基因的植物,对昆虫进行了定向选择,会导致昆虫群体抗性基因频率增加,由此判断B项错误;因生物体共用一套遗传密码,动物的生长激素基因转入植物后可表达,由此判断C项错误;如转基因植物的外源基因来源于自然界,可能打破原有的基因结构,或通过转基因植
22、物散播,具有不确定性,存在一定的安全性问题,由此判断D项错误。,6.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,可采用的方法如下图所示。请据图回答问题:,(1)由品种AABB、aabb经过过程培育出新品种的育种方式称为_,其原理是_。用此育种方式一般从_才能开始选育AAbb个体,是因为_。(2)若经过过程产生的子代总数为1 552株,则其中基因型为AAbb的植株在理论上有_株。基因型为Aabb的植株经过过程,子代中AAbb与aabb的数量比是_。(3)过程常采用_技术得到Ab个体。与过程的育种方法相比,过程的优势是_。(4)过
23、程的育种方式是_,与过程比较,过程的明显优势是_。,【解析】本题以图解的形式考查识图、析图能力,并且涉及相关计算。根据孟德尔自由组合定律,F2中基因型为AAbb的植株占1/16,所以共97株。Aabb自交后代AAbb和aabb的数量比例为11。过程是单倍体育种,包括了花药离体培养和秋水仙素诱导染色体加倍两个步骤,可以明显缩短育种年限。属于诱变育种,过程与过程相比,具有的明显优势是能定向地改造生物的遗传性状。,答案:(1)杂交育种基因重组F2从F2开始出现AAbb个体(或从F2开始出现性状分离)(2)9711(3)花药离体培养能明显缩短育种年限(4)诱变育种过程产生的变异是定向的(或基因工程育种
24、转入的基因是已知的,用基因工程手段产生的变异是定向的),7.(2012海南高考)无子西瓜是由二倍体(2n=22)与同源四倍体杂交后形成的三倍体。回答下列问题:(1)杂交时选用四倍体植株作母本,用二倍体植株作父本,取其花粉涂在四倍体植株的_上,授粉后套袋。四倍体植株上产生的雌配子含有_条染色体,该雌配子与二倍体植株上产生的雄配子结合,形成含有_条染色体的合子。(2)上述杂交获得的种子可发育为三倍体植株。该植株会产生无子果实,该果实无子的原因是三倍体的细胞不能进行正常的_分裂。(3)为了在短期内大量繁殖三倍体植株,理论上可以采用_的方法。,【解析】(1)利用多倍体育种技术培育无子西瓜时,在二倍体西
25、瓜的幼苗期,用秋水仙素处理得到四倍体植株,用其作母本,用二倍体植株作父本,两者杂交,把得到的种子种下去会长出三倍体植株,由于三倍体植株在减数分裂时联会紊乱,无法形成正常配子,在其开花后用二倍体的花粉涂抹其雌蕊(或柱头),即可利用花粉产生的生长素刺激子房发育成果实,由于没有受精,所以果实里没有种子,即为无子西瓜。四倍体植株由二倍体植株经染色体加倍而来,体细胞中含有222=44条染色体,减数分裂产生的雌配子所含的染色体数目为体细胞的一半(=22),二倍体植株产生的雄配子含=11条染色体,两者结合形成含有33条染色体的合子。,(2)三倍体植株体细胞中的染色体含有3个染色体组,减数分裂时会发生联会紊乱
26、,而无法形成正常的配子。(3)利用植物组织培养技术可以快速、大量繁殖三倍体植株。答案:(1)雌蕊(或柱头)2233(2)减数(3)植物组织培养(其他合理答案也可),8.(2012浙江高考)玉米的抗病和不抗病(基因为A、a)、高秆和矮秆(基因为B、b)是两对独立遗传的相对性状。现有不抗病矮秆玉米种子(甲),研究人员欲培育抗病高秆玉米,进行以下实验:取适量的甲,用合适剂量的射线照射后种植,在后代中观察到白化苗4株、抗病矮秆1株(乙)和不抗病高秆1株(丙),将乙与丙杂交,F1中出现抗病高秆、抗病矮秆、不抗病高秆和不抗病矮秆。选取F1中抗病高秆植株上的花药进行离体培养获得幼苗,经秋水仙素处理后选出纯合
27、二倍体的抗病高秆植株(丁)。另一实验表明,以甲和丁为亲本进行杂交,子一代均为抗病高秆。,请回答:(1)对上述1株白化苗的研究发现,控制其叶绿素合成的基因缺失了一段DNA,因此该基因不能正常_,功能丧失,无法合成叶绿素,表明该白化苗的变异具有_的特点,该变异类型属于_。(2)上述培育抗病高秆玉米的实验运用了_、单倍体育种和杂交育种技术,其中杂交育种技术依据的原理是_。花药离体培养中,可通过诱导愈伤组织分化出芽、根获得再生植株,也可通过诱导分化成_获得再生植株。,(3)从基因组成看,乙与丙植株杂交的F1中抗病高秆植株能产生_种配子。(4)请用遗传图解表示乙与丙植株杂交得到F1的过程。【解题指南】解
28、答本题的突破口是根据F1中四种表现型推测出乙和丙的基因型。,【解析】(1)从题意知白化苗是由于控制叶绿素合成的基因缺失了一段DNA,不能表达出叶绿素;这样的变异对生物不利,所以具有有害性的特点;由于是基因缺失了一段DNA,所以是基因突变。(2)题干中用到射线照射,为诱变育种;杂交育种的原理为基因重组;花药离体培养为单倍体育种的一部分,属于植物组织培养,所以可通过诱导脱分化产生愈伤组织,再分化形成芽和根,获得再生植株,也可以通过诱导形成大量胚状体获得再生植株。,(3)由题干甲和丁杂交,子一代都为抗病高秆,可知抗病和高秆都为显性。由乙和丙杂交得到后代可知:抗病不抗病抗病、不抗病,所以亲本抗病基因型为Aa,不抗病基因型为aa,矮秆高秆矮秆、高秆,所以亲本高秆基因型为Bb,矮秆基因型为bb,即乙的基因型为Aabb、丙的基因型为aaBb,所以F1中抗病高秆基因型为AaBb,可以产生4种配子。(4)乙的基因型为Aabb、丙的基因型为aaBb,所以F1中抗病高秆基因型为AaBb。遗传图解表示乙和丙杂交得到F1为:,答案:(1)表达 有害性 基因突变(2)诱变育种 基因重组 胚状体(3)4(4),
