生物的变异与育种.ppt

生物的变异与育种 变异 中国荷斯坦牛 镰刀型红细胞 后代毛色各不相同 比野生草莓大的变异类型 白化症状 罕见的白皮毛牛犊 缺失 重复 复习目标 1 了解生物变异在育种上应用的实例 尝试将生物学原理用于生产和生活实际 2 归纳整理比较多种育种方法 杂交育种 诱变育种 单倍体育种 多倍体育种 基因工程育种 的原理 常用方法 优缺点及意义 例题背景 中国的荔枝主要分布在南方广东 广西 福建 台湾等地 尤其是广东地区 栽培面积占全国的70 其中 增城 西园挂绿 至为珍贵 被称为 荔枝之王 西园挂绿 外壳红中带绿 四分微绿六分红 每个荔枝都环绕有一圈绿线 果肉洁白晶莹 清甜爽口 挂齿留香 风味独特 植物育种的方法 已知在荔枝的性状控制中 D 无绿线 对d 有绿线 显性 T 有甜味 对t 无甜味 显性 现有两株普通荔枝 一株的基因型是DDTT 另一株的基因型是ddtt 据题回答 一 假如你是育种专家 能否利用普通荔枝得到 西园挂绿 ddTT 请简要介绍你的育种方案 典型例题讲解 绿甜绿无甜 ddTt ddTT 杂交 F3 思考 要培育出一个能稳定遗传的植物品种至少要几年 方案一 杂交育种 假设现有长毛立耳猫 BBEE 和短毛折耳猫 bbee 你能否培育出能稳定遗传的长毛折耳猫 BBee 写出育种方案 图解 长毛折耳猫 短毛折耳猫 长毛立耳猫 试一试 动物育种的方法 Bbee 1 动物应为雌雄个体间相互交配 植物为自交 2 选优以后动物进行的是测交 植物为连续自交 3 最后在选种上 动物选择的是后代不发生性状分离的亲代 植物选择的是不发生性状分离的后代 亲代已经用于制种 4 比植物杂交育种所需年限短 注意 概念 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 依据原理 基因重组 常用方法 优点 操作简单 目的性强 能使同种生物的不同优良性状集中于同一个体 具有预见性 缺点 育种年限长 杂交后代会出现性状分离 需连续自交才能选育出所需要的优良性状 而且只适用于有性生殖的生物 存在远缘杂交不亲和的障碍 杂交育种 结合上述几个实例 小结如下 杂交育种是利用基因重组的原理 一般发生在有性生殖的减数分裂过程中 微生物一般不能进行减数分裂 因此一般不用杂交育种的方法对微生物进行育种 思考 杂交育种能否用于微生物育种 方案二 诱变育种 概念 利用物理因素 如 射线 射线 紫外线 激光等 或化学因素 如亚硝酸 硫酸二乙酯等 来处理生物 使生物发生基因突变 从中选育出具有优良性状个体的育种方法 依据原理 基因突变 常用方法 用物理因素 如X射线 射线 紫外线 中子 激光 电离辐射等 或化学因素 如亚硝酸 碱基类似物 硫酸二乙酯等各种化学药剂 或空间诱变育种 用宇宙强辐射 微重力等条件 来处理生物 优点 可以提高突变率 加速育种进程 大幅度地改良某些品种 产生前所未有的性状 缺点 有利变异少 须大量处理实验材料 诱变育种 应用 应用 农作物新品种的培育新品种具有抗病力强 产量高 品质好等优点 如 黑农五号 大豆 产量提高了16 含油量比原来提高了2 5 在作物方面 应用诱变育种我国已培育出100多种水稻 小麦 玉米 大豆等优良品种 资料 航天技术的发展 使人类利用太空资源的愿望变成了现实 自1987年以来 中国利用自己研制的返回式卫星和神舟号飞船进行了11次航天育种搭载试验 试验品种达1200多种 航天诱变育种是利用太空的物理环境作为诱变因子 太空环境条件很复杂 与地球表面主要差异是微重力 10 3克 10 6克 宇宙射线 重粒子 变化磁场和高真空等 这些物理条件的综合作用使生物产生基因突变 据统计 航天育种变异率达4 以上 株高变异为 40cm 30cm 果重变异达 70 100 蔬菜 生育期变异为 3天 10天 太空船把2000颗南瓜种子带上了太空 这些种子在宇宙里经过了综合射线的作用 回到地面后 经培育只有很少一部分能够发育成我们需要的优良性状 而大部分种子没有发育或并不是我们希望得到的优良性状 科研人员经过3个月的种植 长出150公斤各种颜色的大南瓜 用于微生物育种例如青霉素的选育 1943年从自然界分离出来的青霉菌只能产生青霉素20单位 mL 后来人们对青霉菌多次进行X射线 紫外线照射以及综合处理 培育成了青霉素高产菌株 目前青霉素的产量已达到50000 60000单位 mL 诱变育种的优点是能够提高突变率 在较短的时间内获得更多的优良变异类型 诱变育种的局限性是诱发突变的方向难以掌握 突变体难以集中多个理想性状 要想克服这些局限性 可以扩大诱变后代的群体 增加选择的机会 方案三 单倍体育种 3 单倍体育种 明显缩短育种年限 加速育种进程 利用单倍体作中间环节培育可育的纯合子只需两年时间可完成 而常规的育种方法获得一个纯系一般需5 8年时间 原理 优点 方法 染色体数目变异 选择亲本 有性杂交 F1产生的花粉离体培养获得单倍体植株 诱导染色体加倍获得可育纯合子 选择所需要的类型 缺点 技术较复杂 需与杂交育种结合 多限于植物 二 为了改良 西园挂绿 增城领导欲招聘高级育种工程师一名 要求在不改变 西园挂绿 原有外观品质的前提下把 西园挂绿 改良为无核 果大 糖分含量多 若你前往应聘 该怎样设计育种方案 方案提示 借鉴三倍体无子西瓜的育种方式 多倍体育种 4 多倍体育种 植株茎秆粗壮 果实种子都比较大 营养物质含量提高 原理 优点 方法 染色体数目变异 用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗 从而使细胞内染色体数目加倍 染色体数目加倍的细胞继续进行正常的有丝分裂 即可发育成多倍体植株 缺点 技术复杂 发育延迟 结实率低 一般只适合于植物 三 荔枝介壳虫害严重影响了 西园挂绿 的产量 以前果农常采用喷洒农药 放养寄生蜂等方法来防治 如今科学家在一种细菌体内找到了它的抗性基因 L 请设计育种方案来有效减轻荔枝介壳虫危害 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 目的基因的检测与表达 筛选出符合要求的新品种 方案提示 基因工程育种 原理 方法 缺点 优点 基因工程育种 基因重组 提取 构建 导入 检测与表达 定向的改变生物的性状 克服了远源杂交不亲和的障碍 操作技术复杂 可能引起生态危机 生物育种的技术和方法有 杂交育种 诱变育种 单倍体育种 多倍体育种 基因工程育种等 生物育种方法总结 基因重组 杂交 自交 选优 将不同个体的优良性状集中于一个个体上 后代易出现分离现象 育种时间长 过程复杂 基因突变 辐射诱变 激光诱变 空间育种 染色体变异 花药离体培养 再秋水仙素处理使染色体加倍 明显缩短育种年限 技术复杂 需与杂交育种配合 多限于植物 染色体变异 用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗 果实大 营养物质含量高 发育延迟 结实率降低 基因重组 提取 构建 导入 检测与表达 定向的改变生物的性状 克服了种间杂交的障碍 操作技术复杂 可能引起生态危机 提高突变频率 加速育种过程 或大幅度改良某些品种 突变方向不定 有利变异少 须大量处理实验材料 1 下图是用某种作物的两个品种 和 分别培育出 品种的示意图 试分析回答 AABBEAb D AaBbFAAbb aabbGAAaaBBbb 1 用 和 培育 所采用的D和F步骤分别是和 其应用的遗传学原理是 2 用 培育 所采用的E和H步骤分别是和 其应用的遗传学原理是 3 用 培育 所采用的G步骤是 其遗传学原理是 H 杂交 自交 基因重组 花药离体培养 秋水仙素处理幼苗 染色体变异 秋水仙素处理幼苗 染色体变异 练习题 2 当神舟六号航天飞船搭载着两位英雄宇航员成功返航时 一些特殊的乘客也回到了地球 他们是一些 生物菌种 植物组培苗和作物 植物 花卉种子等 在太空周游了115小时32分钟 返回地球后 搭载单位的科研人员将继续对它们进行有关试验 回答 1 作物种子从太空返回地面后种植 往往能出现新的变异特征 这种变异的来源主要是植物种子经太空中的辐射后 其发生变异 请预测可能产生的新的变异对人类是否有益 你判断的理由是 2 试举出这种育种方法的优点 宇宙射线等 基因 不一定 基因突变是不定向的 突变频率高 大幅度改良某些性状 3 用纯种的高秆 D 抗锈病 T 小麦与矮秆 d 易染锈病 t 小麦培育矮秆抗锈病小麦新品种的方法如下 高秆抗锈病 矮秆易染锈病 F1 雄配子 幼苗 选出符合要求的品种 下列有关此育种方法的叙述中 正确的是A 这种育种方法叫杂交育种B 过程 必须使用生长素处理C 这种方法的最大优点是缩短育种年限D 过程必须经过受精作用答案 C 2 八倍体小黑麦的培育 普通小麦是六倍体 AABBDD 体细胞中含有42条染色体 属于小麦属 黑麦是二倍体 RR 体细胞中含有14条染色体 属于黑麦属 两个不同属的物种一般是难以杂交的 但也有极少数的普通小麦品种含有可杂交基因 能接受黑麦的花粉 杂交后的子一代含有四个染色体组 ABDR 在减数分裂时由于染色体不能配对 因此不能形成配子 所以不育 必须用人工方法进行染色体加倍才能产生后代 染色体加倍后的个体细胞中含有八个染色体组 AABBDDRR 小黑麦蛋白质含量高 抗逆性 抗病性强 35 36 五 基因工程育种一种生物的DNA上的基因之所以能在其他生物体内得以进行相同的表达 是因为它们共用一套遗传密码 在该育种方法中需两种工具酶 限制性内切酶 DNA连接酶 和运载体 质粒 质粒上必须有相应的识别基因 便于基因检测 如人的胰岛素基因移接到大肠杆菌的DNA上后 可在大肠杆菌的细胞内指导合成人的胰岛素 抗虫棉植株的培育 将固氮菌的固氮酶基因移接到植物DNA分子上去 培育出固氮植物 固氮基因的表达方式为 1 原理 基因重组 或异源DNA重组 和所有生物氨基酸遗传密码子的通用性 物质基础是 生物的DNA均由四种脱氧核苷酸组成 其结构基础是 一般生物的DNA均为双螺旋结构 2 方法和过程 提取目的基因 装入载体 导入受体细胞 基因表达 筛选出符合要求的新品种 这种技术是在生物体外 通过对DNA分子进行人工 剪切 和 拼接 对生物的基因进行改造和重新组合 然后导入受体细胞内进行无性繁殖 使重组基因在受体细胞内表达 产生出人类所需要的基因产物 通俗地说 就是按照人们的主观意愿 把一种生物的个别基因复制出来 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 基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的 重组的DNA分子进入受体细胞后 受体细胞必须表现出特定的性状 才能说明目的基因完成了表达过程 3 优缺点 不受种属限制 可根据人类的需要 有目的地进行 育种时间短 可能会引起生态危机 技术难度大 4 应用 科学家最初做抗虫棉试验时 虽然已经检测出棉的植株中含有抗虫的基因 但让棉铃虫食用棉的叶片时 棉铃虫并没有被杀死 这说明抗虫基因还不能在高等植物中表达 科学家在研究的基础上 又一次对棉植株中的抗虫基因进行了修饰 然后再让棉铃虫食用棉的叶片 结果食用的第二天棉铃虫就中毒死亡了 这说明抗虫基因在棉植株中得到了表达 5 经典例题 例 2007年天津理综卷 在培养转基因植物的研究中 卡那霉素抗性基因 kan 常作为标记基因 只有含卡那霉素抗性基因的细胞才能在卡那霉素培养基上生长 下图为获得抗虫棉的技术流程 请据图回答 1 A过程需要的酶有 1 限制性内切酶和DNA链激酶 2 B过程及其结果体现了质粒作为运载体必须具备的两个条件是 2 具有标记基因 能在宿主细胞中复制并稳定保存 他们没有要求 具有多个限制酶切点 教材P 50 3 C过程的培养基除含有必要营养物质 琼脂和激素外 还需加入 3 卡那霉素 界定是否带有标记基因 转基因是否成功 4 如果利用DNA分子杂交原理对再生植株进行检测 D过程应该用 作为探针 4 放射性同位素 或荧光分子 标记的抗虫基因 在生物体的所有细胞中 受精卵的全能性是最高的 有性生殖生物体的任何一个细胞 都是由受精卵分裂 分化而成的 生殖细胞 尤其是卵细胞 虽然分化程度很高 但是仍然具有较高的潜在全能性 在生物体内 细胞并没有表现出全能性 而是分化成为不同的组织 器官 这是基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果 不同种生物之间存在着生殖隔离 所以用传统的有性杂交方法是不可能做到这一点的 于是 这些科学家试图用这两种植物的体细胞进行杂交 来实现这一美妙的设想 植物体细胞杂交是用两个来自于不同植物的体细胞 由于细胞膜具有一定的流动性而融合成一个杂种细胞 并且把杂种细胞培育成新的植物体的方法 2 方法和过程 1 植物 去细胞壁获得原生质体 原生质体融合 组织培养离体的植物器官 组织或细胞 在培养了一段时间以后 会通过细胞分裂 形成愈伤组织 愈伤组织的细胞排列疏松而无规则 是一种高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞 由高度分化的植物器官 组织或细胞产生愈伤组织的过程 称为植物细胞的脱分化 或者叫做去分化 脱分化产生的愈伤组织继续进行培养 又可以重新分化成根或芽等器官 这个过程叫做再分化 再分化形成的试管苗 移栽到地里 可以发育成完整的植物体 植物组织培养的过程可以简要归纳为 离体的植物器官 组织或细胞经过脱分化 愈伤组织通过再分化 根 芽或胚状体 植物体植物细胞只有脱离了植物体 在一定的外部因素作用下 经过细胞分裂形成愈伤组织 才表现出全能性 由愈伤组织细胞发育 分化出新的植物体 影响植物细胞脱分化产生愈伤组织的一个重要因素是植物激素 当细胞分裂素与生长素共同使用时 能强烈地刺激愈伤组织的形成 植物激素还会影响到再分化过程中芽和根的发生 细胞分裂素与生长素之间的浓度比 可以调控植物组织培养过程中芽和根的形成 当细胞分裂素与生长素的浓度比高时 有利于芽的发生 当浓度比低时 则有利于根的发生 2 动物克隆 核移植 胚胎移植19世纪70年代 科学家们在蛙的血细胞中也看到了多核细胞的现象 但是由于受当时科学技术发展水平的限制 人们对这一现象并没有给予足够的重视 1958年 日本科学家岗田用灭活的仙台病毒诱导人的腹水癌细胞融合成功 后来科学家们又成功地诱导了不同种动物的体细胞融合 并且能将杂种细胞培养成活 随着细胞融合技术的不断改进 现在这项技术已经广泛应用于细胞学 遗传学 免疫学 病毒学等多种学科的研究工作中 3 优缺点 能克服远缘杂交的不亲和性 有目的地培育优良品种 动物体细胞克隆 可用于保存濒危物种 保持优良品种 挽救濒危动物 利用克隆动物相同的基因背景进行生物医学研究等 技术复杂 难度大 它将对生物多样性提出挑战 创造出新的人造物种 有性繁殖是形成生物多样性的重要基础 而 克隆动物 则会导致生物品系减少 近亲个体增多 个体生存能力下降 4 应用 植物组织培养技术的应用范围是很广的 除了快速繁殖 培育无病毒植物外 还可以通过大规模的植物细胞培养来生产药物 食品添加剂 香料 色素和杀虫剂等 例如 从大量培养的紫草愈伤组织中提取的紫草素 是制造治疗烫伤和割伤的药物以及染料和化妆品的原料 用植物组织培养的方法 诱导离体的植物组织形成具有生根发芽能力的胚状结构 加入人工胚乳 包裹上人造种皮 制成人工种子 可以解决有些作物品种繁殖能力差 结子困难或发芽率低等问题 此外 转基因植物的培育 也要用到植物组织培养的方法 目前 植物体细胞杂交还有许多理论和技术问题没有解决 这项技术仍然处在研究阶段 距离推广应用还有一定差距 但是人们相信 经过科学家的不懈努力 让 番茄马铃薯 在地上结番茄 地下结马铃薯的愿望一定会实现 哺乳动物如牛 羊等 妊娠时间长 每胎产子数少 繁殖速度比较慢 怎样才能加快优良种畜的繁殖速度呢 哺乳动物的胚胎移植技术 为畜牧业的发展带来了光明的前景 胚胎移植的过程是这样的 以优良种牛的繁殖为例 科学家们首先用激素促进良种母牛多排卵 然后把卵细胞从母牛体内取出 在试管内与人工采集的精子进行体外受精 培育成胚胎 再把胚胎送入经过激素处理 可以接受胚胎植入的母牛子宫内 孕育成小牛产出 用这种方法得到的小牛叫做试管牛 利用胚胎移植技术可以使每头良种母牛一年繁殖牛犊上百头 许多国家都成立有商业性牛胚胎移植公司 开展牛胚胎国际贸易 除了牛之外 羊 兔 猪 马 猫等动物的胚胎移植也获得了成功 5 经典例题 例 2003年江苏 用高度分化的植物细胞 组织和器官进行组织培养可以形成愈伤组织 下列叙述错误的是A 该愈伤组织是细胞经过脱分化和分裂形成的B 该愈伤组织的细胞没有全能性C 该愈伤组织是由排列疏松的薄壁细胞组成D 该愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构答案 B 例现有甲 乙两个烟草品种 2n 48 其基因型分别为aaBB和AAbb 这两对基因位于非同源染色体上 且在光照强度大于800勒克司时 都不能生长 这是由于它们中的一对隐性纯合基因 aa或bb 作用的结果 取甲乙两品种的花粉分别培养成植株 将它们的叶肉细胞制成原生质体 并将两者相混 使之融合 诱导产生细胞团 然后 放到大于800勒克司光照下培养 结果能分化发育成植株 请回答下列问题 1 甲 乙两烟草品种花粉的基因型分别为 和 1 aBAb 2 在植物细胞融合技术中 常用 除去 才能使用 作为促融剂 促使其融合 融合后的细胞基因型是 2 纤维素酶 答果胶酶也对 细胞壁聚乙二醇 答灭活的病毒也对 AaBb aaBB AAbb 3 细胞融合后诱导产生的细胞团叫 3 愈伤组织 4 能分化的细胞团是由的原生质体融合来的 这里只考虑2个原生质体的相互融合 由该细胞团分化发育成的植株 其染色体数是 基因型是 该植株自交后代中 在大于800勒克司光照下 出现不能生长的植株的概率是 4 48AaBb7 16 其基因型为aabb1 aaBb2 aaBB1 AABb2 AAbb1 可利用第二册P 30图6 24 相当于带有yy和rr的基因型个体 例 08丰台二模 下图所示为人类 治疗性克隆 的简要过程 请据图作答 治疗性克隆 的结果说明高度分化的体细胞的核仍然具有 相同的胚胎干细胞 可以培养出胰岛细胞 血细胞 心肌细胞等各种组织细胞 究其本质原因是基因的结果 上述 克隆 过程中细胞数目及功能的变化建立在的基础上 全能性选择性表达分裂 分化 答出一个给1分 育种类型 育种原理 实例 基因突变 基因重组 染色体变异 染色体变异 明显缩短育种年限 1 从理论上分析下列各项 其中错误的是 A 二倍体 二倍体 二倍体B 三倍体 三倍体 三倍体C 三倍体 四倍体 三倍体D 二倍体 六倍体 四倍体 2 有丝分裂间期由于某种原因 DNA复制中途停止 致使一条染色体上的DNA分子缺少若干基因 这属于