从杂交育种到基因工程

第六章 杂交育种与诱变育种 小麦高秆 D 对矮秆 d 为显性 抗锈病 T 对不抗锈病 t 为显性 现有纯合的高秆抗锈病的小麦 DDTT 和矮秆不抗锈病的小麦 ddtt 如果你是袁隆平 怎样才能得到矮秆抗病的优良品种 ddTT 锈病 想一想 植物杂交育种的方法 以下是杂交育种的参考方案 高抗矮不抗 高抗 DDTT ddtt DdTt ddTt 高抗高不抗矮抗矮不抗 ddTT 矮抗矮不抗 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 小麦 DDTT ddtt 亲本杂交 F1 DdTt 种植F1代 自交 F2 D T D tt ddT ddtt 种植F2代 选矮秆 抗病ddT 继续自交 期望下代获得纯合体 p 试一试 动物的杂交育种方法 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 长立长折短立短折 Bbee BBee BBee Bbee bbee bbee 长折 短折 长折 长折 短折 杂交 F3 长折 短折 思考 要培育出一个能稳定遗传的动物品种至少要几年 一 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 二 依据原理 基因重组 三 常用方法 四 优点 将不同个体的优良性状集中到同一个体上 五 缺点 育种时间长 点滴收获之1 杂交育种 一 依据原理 染色体变异 二 常用方法 花药 花粉 离体培养 三 优点 明显缩短育种年限 点滴收获之2 单倍体育种 五 应用 现有纯合的高秆抗锈病的小麦 DDTT 和矮秆不抗锈病的小麦 ddtt 怎样才能得到矮秆抗病的优良品种 ddTT 且育种年限要最短 技术复杂且须与杂交育种配合 四 缺点 二倍体 杂交育种不能创造新的基因 并且所需时间要长 那有没有能出现意想不到的结果 并且需要时间相对要短的育种方法呢 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 一 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 二 依据原理 基因突变 三 常用方法 辐射诱变 激光诱变 作物空间技术育种 四 优点 可以提高突变率 加速育种过程 大幅度地改良某些品种 产生前所未有的性状 五 缺点 有利变异少 须大量处理实验材料 点滴收获之3 诱变育种 一 依据原理 染色体变异 二 常用方法 秋水仙素处理萌发的种子或幼苗 三 优点 器官较大 提高产量和营养成分 抗逆性强 抗病性强 四 缺点 技术复杂且须与杂交育种配合 发育延迟 结实率低 点滴收获之4 多倍体育种 五 应用 三倍体无籽西瓜 二倍体植株 请比较各种育种方式 这些题你会做吗 1 杂交育种所依据的主要遗传学原理是 A 基因突变 B 基因自由组合 C 染色体交叉互换 D 染色体变异 答 B 2 在下列几种育种方法中 可以改变原有基因分子结构的育种方法是 A 杂交育种B 诱变育种C 单倍体育种D 多倍体育种答案 3 现代农业育种专家采用诱变育种的方法改良某些农作物的原有性状 其原因是 A 提高了后代的出苗率B 产生的突变全部是有利的C 提高了后代的稳定性D 能提高突变率以供育种选择答案 B D 试试看 你能行吗 1 指出下列各种交配方式 由品种 和 培育出 的过程I是 由品系 培育出品种 经过的过程V是 2 品系 是一种 植株 由品系 经过过程III培养品种 常用的方法是 3 品种 形成品种 经过的过程VI中常用 处理 4 品种 直接形成品种 的过程需经 由品种 产生品种 的最简便方法是 为提高农作物的单产量 获得早熟 抗倒伏 抗病等性状 科学工作者往往要采取多种育种方法来培育符合农民要求的新品种 请根据下面提供的材料 每小组设计一套育种方案 已有的材料 A小麦的高秆 显性 抗锈病 显性 纯种 B小麦的矮秆不抗锈病纯种 C水稻的迟熟种子非生物材料 根据需要自选 1 育种名称 2 所选择的生物材料 3 希望得到的结果 4 预计产生这种结果的 所需类型 的几率 5 写出育种的简要过程 可用图解 6 简答选择能稳定遗传的新品种的方法 试试看 你行吗 生物材料 A小麦的高秆 显性 抗锈病 显性 纯种 B小麦的矮秆不抗锈病纯种 C水稻的迟熟种子非生物材料 根据需要自选 方案2 1 育种名称 单倍体育种 2 所选择的生物材料 A B 3 希望得到的结果 矮秆抗锈病 4 预计产生这种结果的 所需类型 的几率 1 4 5 写出育种的简要过程 可用图解 高抗 矮病F1高抗F1花药离体培养单倍体植株 再经秋水仙素处理 染色体加倍成为纯合的高抗 矮抗 高病 矮病植株 6 简答选择能稳定遗传的新品种的方法 挑选矮秆抗锈病的植株即可 方案3 1 育种名称 诱变育种 2 所选择的生物材料 C 3 希望得到的结果 早熟水稻 4 预计产生这种结果的 所需类型 的几率 极低或不出现 5 写出育种的简要过程 可用图解 用射线 激光照射或秋水仙素等化学试剂处理 或用太空飞船搭载 水稻 使之产生基因突变 6 简答选择能稳定遗传的新品种的方法 将处理的水稻种植下去 进行观察 选择矮秆抗倒伏的水稻 并纯化 资料 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 两个不同的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 不可育 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 而这些染色体来自不同属的物种 所以称它为异源八倍体小黑麦 第二节 基因工程及其应用 第六章 从杂交育种到基因工程 从大肠杆菌说起 质粒基因 大肠杆菌能合成人的胰岛素吗 能合成干扰素吗 从大肠杆菌说起 胰岛素每100kg猪或牛的胰腺中提取4 5g胰岛素79年 利用大肠杆菌的DNA分子重组 2000L培养液提取100g 相当于2吨猪胰腺中提取的量 从大肠杆菌说起 干扰素 一千克纯的干扰素价值可达440亿美元 传统生产方法 血液中提出白细胞 然后用病毒去感染它 这时会产生干扰素 1个细胞最多生产100 1000个干扰素分子基因工程 改造的大肠杆菌发酵生产 一天内便可生产20万个干扰素分子 1KG培养物中可以得到20 40mg干扰素 一 基因工程 分子水平改变生命 基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术 这种技术是在生物体外 通地对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 产生人类所需要的基因产物 通俗地说 就是按照人们的意愿 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 目的 基因的剪刀 限制性内切酶 简称限制酶 一 基因操作的工具 限制酶是在生物体 主要是微生物 内的一种酶 能将外来的DNA切断 由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的 故名限制性内切酶 特点 特异性 即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列 并且能在特定的切点上切割DNA分子 基因的剪刀 限制性内切酶 简称限制酶 大肠杆菌 E coli 的一种限制酶能识别GAATTC序列 并在G和A之间切开 限制酶 基因的剪刀 限制性内切酶 简称限制酶 限制酶 什么叫黏性末端 被限制酶切开的DNA两条单链的切口 带有几个伸出的核苷酸 他们之间正好互补配对 这样的切口叫黏性末端 基因的针线 DNA连接酶 二 基因操作的工具 DNA连接酶可把黏性末端之间的缝隙 缝合 起来 即把梯子两边扶手的断口连接起来 这样一个重组的DNA分子就形成了 磷酸二酯键 外源基因 如抗虫基因 怎样才能导入受体细胞 如棉花细胞 二 基因操作的工具 导入过程需要运输工具 运载体 运载体的作用有哪些 作用一 作为运载工具 将外源基因 抗虫基因 转移到受体细胞 棉花细胞 中去 作用二 利用运载体在受体细胞 棉花细胞 内 对外源基因 抗虫基因 进行大量复制 基因的运载工具 运载体 常用的运载体主要有两类 1 细菌细胞质的质粒2 噬菌体或某些动植物病毒 质粒 质粒是染色体外能够进行自主复制的遗传单位 包括真核生物的细胞器和细菌细胞中核区外的DNA分子 现在习惯上用来专指细菌 酵母菌和放线菌等生物中核以外的DNA分子 质粒是基因工程最常用的运载体 绝大多数细菌质粒都是闭合环状DNA分子 有的一个细菌中有一个 有的一个细菌中有多个 大肠杆菌的质粒 最常用的质粒是大肠杆菌的质粒 其中常含有抗药基因 如四环素的标记基因 质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性作用 但复制只能在宿主细胞内成 四个基本步骤 三 基因操作的基本步骤 1 提取目的基因2 目的基因与运载体结合3 将目的基因导入受体细胞4 目的基因的检测和表达 目的基因 三 基因操作的基本步骤 目的基因是人们所需要转移或改造的基因 如苏云金芽孢杆菌的抗虫基因 还有植物的抗病 抗病毒 抗细菌 基因 种子贮藏蛋白的基因 以及人的胰岛素基因 干扰素基因等 目的基因的提取方法 三 基因操作的基本步骤 步骤二 目的基因与运载体重组 1 用一定的限制酶切割质粒 使其出现一个切口 露出黏性末端 2 用同一种限制酶切断目的基因 使其产生相同的黏性末端 3 将切下的目的基因片段插入质粒的切口处 再加入适量DNA连接酶 形成了一个重组DNA分子 重组质粒 目的基因与运载体的结合过程 实际上是不同来源的基因重组的过程 三 基因操作的基本步骤 常用的受体细胞 有大肠杆菌 枯草杆菌 土壤农杆菌 酵母菌和动植物细胞等 将目的基因导入受体细胞的原理 借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径 步骤三 目的基因导入受体细胞 三 基因操作的基本步骤 步骤四 目的基因的检测和表达 不能 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 三 基因操作的基本步骤 受体细胞摄入DNA分子后就说明目的基因完成了表达吗 若不能表达 要对抗虫基因再进行修饰 二 基因工程的应用 运用基因工程技术 不但可以培养优质 高产 抗性好的农作物及畜 禽新品种 还可以培养出具有特殊用途的动 植物 生长快 耐不良环境 肉质好的转基因鱼 中国 乳汁中含有人生长激素的转基因牛 阿根廷 1 基因工程与作物育种 转黄瓜抗青枯病基因的甜椒 转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯 不会引起过敏的转基因大豆 转基因龙胆花色奇异 转基因蓝猪耳改变花色 转基因牵牛花改变了花色 A 紫外光照射下的转绿色荧光蛋白的Eustoma Lisianthus 花 B 转没有绿色荧光蛋白的空质粒的花 会发光的转基因鱼 导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠 导入人基因具特殊用途的猪和小鼠 超级动物 特殊动物 图为2001年12月底出生的5只可爱的转基因克隆小猪 据培育者英国PPL医疗公司称 这些转基因小猪将为研究和 生产 适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助 首只转基因猴诞生 人类未来忧喜参半 2 2002年 中国转基因棉花达到150万公顷 已经占到棉花产量的1 3 我国大豆食用油近七成是 转基因 产品 与杂交育种 诱变育种相比较 基因工程育种的优点有哪些 目的性强 克服远源杂交不亲和性 育种周期短 1993年我国科学工作者培育成的抗棉铃虫的转基因抗虫棉 其抗虫基因来源于 A 普通棉花的基因突变B 棉铃虫变异形成的致死基因C 寄生在棉铃虫体内的线虫D 苏云金芽孢杆菌体内的抗虫基因 D 2 基因工程与药物研制 我国生产的部分基因工程疫苗和药物 1 微生物基因工程 即把目的基因导入大肠杆菌等菌中 通过微生物表达目的基因的产物 2 细胞基因工程 即用哺乳动物细胞株表达目的产物 3 转基因动物 即将目的基因直接导入鼠 兔 羊和猪体内 使目的基因在哺乳动物体内表达 从儿获得目的产物 治疗糖尿病 治疗生长缺陷症 治疗烫伤 胃溃疡 治疗某些癌症 治疗癌症或病毒感染 预防病毒性肝炎 治疗心血管病 心脏病 胰岛素是治疗糖尿病的特效药 长期以来只能依靠从猪 牛等动物的胰腺中提取 100Kg胰腺只能提取4 5g的胰岛素 其产量之低和价格之高可想而知 将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌 每2000L培养液就能产生100g胰岛素 大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题 还使其价格降低了30 50 干扰素治疗病毒感染简直是 万能灵药 过去从人血中提取 300L血才提取1mg 其 珍贵 程度自不用多说 2 不属于基因工程方法生产的药物是 A 干扰素B 白细胞介素C 青霉素D 乙肝疫苗 C 3 基因工程与环境保护 环境监测 基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒 细菌等污染 1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来 利用基因工程培育的 指示生物 能十分灵敏地反映环境污染的情况 却不易因环境污染而大量死亡 甚至还可以吸收和转化污染物 环境污染治理 基因工程做成的 超级细菌 能吞食和分解多种污染环境的物质 通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类 用基因工程培育成功的 超级细菌 却能分解石油中的多种烃类化合物 有的还能吞食转化汞 镉等重金属 分解DDT等毒害物质 2006年3月14日绿色和平组织发布消息 称亨氏营养米粉含有转Bt基因抗虫水稻成分 那么转基因食品到底安全吗 什么样的转基因食品才能上市 如何面对市场上的转基因食品呢 四 基因食品的安全性 1 转基因生物可能对人体健康产生不利影响 严重的可以致癌和其他疾病 2 转基因生物可能对环