从杂交育种到基因工程

第3讲从杂交育种到基因工程杂交育种(Ⅱ)诱变育种(Ⅱ)基因工程的原理(Ⅱ)基因工程的应用(Ⅰ)转基因生物和转基因食品的安全性(Ⅰ)知识点一杂交育种和诱变育种1．杂交育种

(1)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①________和②________，获得新品种的方法

(2)原理：③________ (3)过程：选择具有不同优良性状的亲本→④__________，获得F1→⑤________→⑥________→鉴别、选择需要的类型选择

培育

基因重组

杂交

F1自交

获得F2

(4)优点：可以把多个品种的优良性状集中在一起 缺点：获得新品种的周期⑦______ (5)应用：根据需要培育理想类型2．诱变育种

(1)概念：利用物理因素或化学因素来处理生物，使生物发生⑧________，从而获得优良变异类型的育种方法

(2)原理：⑨________ (3过程：选择生物→____________→⑪______________→培育长

基因突变

基因突变

诱发基因突变

选择理想类型

(4)优点(5)缺点：诱发产生的突变，有利的个体往往不多，需处理大量材料应用：培育具有新性状的品种突变频率

比一比：(1)杂交育种与杂种优势是一回事吗？(2)诱变育种与杂交育种相比，最大的区别是什么？答案：(1)不是。两者都是将两个品种中的优良性状集中到一个亲本上，但杂交育种培育成能稳定遗传的纯合子，杂种优势主要是利用杂种F1的优良性状，并不要求遗传学上的稳定；(2)二者最大的区别在于诱变育种能创造出新基因。知识点二基因工程1．概念 又叫⑬______________或DNA重组技术。通俗地说，就是按照人们的意愿，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，⑭________地改造生物的⑮________2．原理 不同生物间的⑯________基因拼接技术

定向

遗传性状

基因重组

3．基本工具

限制性核酸内切酶

DNA连接酶质粒

噬菌体

动植物病毒

目的基因

运载体

受体细胞

检测与鉴定

抗虫棉

干扰素

(3)环境保护：如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，处理工业废水等转基因生物和转基因食品的安全性讨论比一比：(1)DNA连接酶和DNA聚合酶有何不同？(2)运载体和细胞膜上的载体相同吗？

答案：(1)DNA连接酶是修复愈合DNA片段间单链上的缺口，使之形成磷酸二酯键。DNA聚合酶是DNA分子复制时，按模板链的要求，逐个把脱氧核苷酸连接起来，形成DNA的子链。(2)不同。①运载体是将外源基因导入受体细胞的专门运输工具，常用的运载体有质粒、动植物病毒、噬菌体等。②位于细胞膜上的载体是蛋白质，与控制物质进出细胞有关系。现代生物技术：凝胶电泳A．在DNA样本中加入一个或数个限制性核酸内切酶。这些酶把DNA切成小片段。B．凝胶块一端有注入DNA样本的小孔，方便注入样本；注入DNA样本后，对凝胶(相当于固定溶液)施以电场。C．片段迁移带负电的DNA片段会朝正极迁移。片段越小，在凝胶中的迁移速度越快。因此小片段最后会离加样孔最远。DNA重组技术(基因工程)将人的生长激素基因与质粒(运载体)重组并导入细菌中，重组质粒大量克隆的同时，目的基因表达(如上图合成了人的生长激素)几种常见育种方式的比较高考地位：5年19考

(2012天津卷、海南卷、浙江卷、江苏卷，2011四川卷、福建卷，2010安徽卷、四川卷……)杂交育种诱变育种单倍体育种多倍体育种基因工程育种原理基因重组基因突变染色体变异染色体变异基因重组杂交育种诱变育种单倍体育种多倍体育种基因工程育种常用方式①选育纯种：杂交―→自交―→选优―→自交②选育杂种：杂交―→杂交种辐射诱变、激光诱变、空间诱变花药离体培养，然后再使染色体数目加倍秋水仙素处理萌发的种子或幼苗转基因(DNA重组)技术将目的基因导入生物体内，培育新品种杂交育种诱变育种单倍体育种多倍体育种基因工程育种育种程序杂交育种诱变育种单倍体育种多倍体育种基因工程育种优点①使位于不同个体的优良性状集中到一个个体上②操作简便可以提高变异的频率、加速育种进程且大幅度地改良某些性状①明显缩短育种年限②所得品种为纯合子器官巨大，提高产量和营养成分打破物种界限，定向改变生物的性状杂交育种诱变育种单倍体育种多倍体育种基因工程育种缺点①育种时间长②不能克服远缘杂交不亲和的障碍有利变异少，需大量处理实验材料(有很大盲目性)技术复杂且需与杂交育种配合只适用于植物，发育延迟，结实率低有可能引发生态危机应用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高产青霉菌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三倍体无子西瓜、八倍体小黑麦转基因“向日葵豆”、转基因抗虫棉1．诱变育种与杂交育种相比，前者能产生前所未有的新基因，创造变异新类型；后者不能产生新基因，只是实现原有基因的重新组合。2．在所有育种方法中，最简捷、常规的育种方法——杂交育种。3．根据不同育种需求选择不同的育种方法。

(1)将两亲本的两个不同优良性状集中于同一生物体上，可利用杂交育种，亦可利用单倍体育种。

(2)要求快速育种，则运用单倍体育种。

(3)要求大幅度改良某一品种，使之出现前所未有的性状，可利用诱变育种和杂交育种相结合的方法。

(4)要求提高品种产量，提高营养物质含量，可运用多倍体育种。4．随着我国航天技术的日趋成熟，太空育种正在兴起，有两个优势：①太空失重、真空状态，将很多在地球重力场中无法完成的育种实验变为容易实现的现实；②太空高辐射环境为动、植物、微生物发生基因突变提供良好条件！★★★本考点单科试卷多以选择题形式出现，而理综试卷多以非选择题形式综合考查各种育种的原理、方法及相互联系，往往作为压轴的高区分度试题拉开考生间距离，应特别重视，防止丢分。【典例1】

下图表示以番茄植株(HhRr)为实验材料培育新品种的途径。请据图分析回答下列问题。(1)途径2、3中获得幼苗的过程都应用了植物组织培养技术，该技术依据的生物学原理是__________________。(2)要尽快获得稳定遗传的优良品种应采用途径________，该过程中秋水仙素的作用机理是__________________。(3)品种A与途径3中幼苗基因型相同的概率为______，品种C的基因型是____________。(4)品种C与B是否为同一个物种？____________，原因是__________________。(5)途径4依据的原理是____________，此途径与杂交育种相比，最突出的优点是__________________。解析图解中途径1为种子繁殖，途径2为单倍体育种，途径3为多倍体育种，途径4为诱变育种。花药离体培养的生物学原理是植物细胞的全能性，单倍体育种能明显缩短育种年限，秋水仙素的作用机理是抑制纺锤体的形成，品种C和品种B不是同一物种，因为它们存在生殖隔离。【训练1】 (经典题)下面为6种不同的育种方法。据图回答下列问题。(1)图中A至D方向所示的途径表示________育种方式，这种方法属常规育种，一般从F2代开始选种，这是因为__________________。A―→B―→C的途径表示________育种方式，这两种育种方式中后者的优越性主要表现在_________________________________________________。(2)B常用的方法为______________。(3)E方法所用的原理是____________，所用的方法如______________、______________。育种时所需处理的种子应是萌动的(而非休眠的)种子，原因是________________。(4)C、F过程最常用的药剂是____________，其作用的原理是________________________________________________________________________。(5)由G到H过程中涉及的生物技术有________________________________________________________________________________和______________。(6)K―→L―→M这种育种方法的优越性表现在________________________________________________________________________。答案(1)杂交从F2代开始发生性状分离单倍体明显缩短育种年限(2)花药离体培养(3)基因突变X射线、紫外线、激光亚硝酸、硫酸二乙酯、秋水仙素(理化因素需各说出一项)种子萌动后进行细胞分裂，DNA在复制过程中可能由于某种因素的影响发生基因突变(4)秋水仙素在细胞分裂时，抑制纺锤体形成，引起染色体数目加倍(5)基因工程(或DNA拼接技术或DNA重组技术或转基因技术)植物组织培养(6)克服了远缘杂交不亲和的障碍，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围题后反思(1)杂交育种选育的时间是从F2代开始，原因是从F2开始发生性状分离；选育后是否连续自交取决于所选优良性状是显性还是隐性。(2)基因工程技术应用于育种有明显的优势：①能够按照人们的意愿，定向改造生物的性状，目的性强，如生产人的胰岛素、干扰素、白蛋白的各种工程菌的构建；②打破了物种界限，克服了远缘杂交不亲和的障碍。(3)诱变育种大幅度改良生物性状，这是优点；能提高突变率，但突变的不定向性和一般有害的特性决定了在突变的个体中有害远多于有利，因而需要大量处理材料，工作量大，能否产生有价值的变异类型，不以人的意志为转移，目的性差。基因工程的操作工具及基本步骤高考地位：5年32考

(2012全国新课标卷、浙江卷、福建卷、江苏卷、海南卷，2011山东卷、浙江卷、四川卷、江苏卷、海南卷……)一、操作工具1．基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶(简称限制酶) (1)分布：主要在微生物体内。

(2)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。(3)实例：EcoRⅠ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。(4)切割结果：产生两个带有黏性末端的DNA片段。(5)作用：基因工程中重要的切割工具。在微生物体内能将外来的DNA切断，对自己的DNA无损害。2．基因的“针线”——DNA连接酶

(1)催化对象：两个具有相同黏性末端的DNA片段。

(2)催化位置：脱氧核糖与磷酸之间的缺口。

(3)催化结果：形成重组DNA。二、操作步骤

(1)微生物常被用做受体细胞的原因是其具有繁殖快、代谢快、目的基因产物多的特点。(2)动物受体细胞一般选用受精卵，植物受体细胞可以是体细胞，但需与植物组织培养技术相结合。★★★本考点必修内容侧重转基因技术的基本操作、工具及安全性，深入考查基因工程的原理、过程及其应用则是选修三的高考要求。从历年高考命题来看，全国卷及各省市卷都有具体要求和较固定的命题模式(有的为必考，有的为选考)。备考时应按本省市具体高考要求有的放矢的进行复习和训练。【典例2】 (2012·全国新课标，40)根据基因工程的有关知识，回答下列问题。 (1)限制性内切酶切割DNA分子后产生的片段，其末端类型有________和________。 (2)质粒运载体用EcoRⅠ切割后产生的片段如下：

AATTC……G G……CTTAA 为使运载体与目的基因相连，含有目的基因的DNA除可用EcoRⅠ切割外，还可用另一种限制性内切酶切割，该酶必须具有的特点是____________________。(3)按其来源不同，基因工程中所使用的DNA连接酶有两类，即________DNA连接酶和________DNA连接酶。(4)反转录作用的模板是________，产物是_______________。若要在体外获得大量反转录产物，常采用________技术。(5)基因工程中除质粒外，________和________也可作为运载体。(6)若用重组质粒转化大肠杆菌，一般情况下，不能直接用未处理的大肠杆菌作为受体细胞，原因是_______________。解析此题考查基因工程应用的相关知识。(1)DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有黏性末端和平末端两种类型。(2)为使运载体与目的基因相连，应使二者被切割后产生的末端相同，故用另一种限制酶切割产生的末端必须与EcoRⅠ切割产生的末端相同。(3)根据酶的来源不同，DNA连接酶分为E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶。(4)以RNA为模板，合成DNA的过程称为逆转录，若要体外获得大量DNA分子，可以使用PCR技术。(5)在基因工程中，通常利用质粒作为运载体，另外噬菌体和动植物病毒也可作为运载体。(6)大肠杆菌作为受体细胞时，常用Ca2＋处理，使之成为能吸收周围环境中DNA分子的感受态细胞。答案(1)黏性末端平末端(2)切割产生的DNA片段末端与EcoRⅠ切割产生的相同(其他合理答案也行)

(3)大肠杆菌(E·coli)

T4

(4)mRNA(或RNA)

cDNA(或DNA)

PCR

(5)噬菌体动植物病毒(6)未处理的大肠杆菌吸收质粒(外源DNA)的能力极弱【训练2】 (2012·海南单科，31)已知甲种农作物因受到乙种昆虫危害而减产，乙种昆虫食用某种原核生物分泌的丙种蛋白质后死亡。因此，可将丙种蛋白质基因转入到甲种农作物体内，使甲种农作物获得抗乙种昆虫危害的能力。 回答下列问题。

(1)为了获得丙种蛋白质的基因，在已知丙种蛋白质氨基酸序列的基础上，推测出丙种蛋白质的________序列，据此可利用________方法合成目的基因。获得丙种蛋白质的基因还可用________和________方法。(2)在利用上述丙种蛋白质基因和质粒载体构建重组质粒的过程中，常需要使用________酶和________酶。(3)将含有重组质粒的农杆菌与甲种农作物的愈伤组织共同培养，筛选出含有丙种蛋白质的愈伤组织，由该愈伤组织培养成的再生植株可抵抗________的危害。(4)若用含有重组质粒的农杆菌直接感染甲种农作物植株叶片伤口，则该植株的种子________(填“含有”或“不含”)丙种蛋白质基因。解析本题考查抗虫作物培育过程的相关知识。(1)获取目的基因的方法主要有基因文库获取法、PCR技术扩增法和人工化学合成法三种。已知丙种蛋白质氨基酸序列，可通过推测丙种蛋白质的基因序列，然后利用化学方法人工合成丙种蛋白质基因。(2)在构建重组质粒的过程中，需要使用限制性核酸内切酶和DNA连接酶，前者能识别特定的核苷酸序列，使每条链特定部位的核苷酸之间的磷酸二酯键断开，使其形成黏性末端，被喻为“分子手术刀”；后者能将两个带有相同黏性末端的DNA片段连接起来，被称为“分子针线”。(3)将含有重组质粒的农杆菌与甲种农作物的愈伤组织共同培养，可筛选出含有丙种蛋白质的愈伤组织，而后培养出含有丙种蛋白质的抗乙种昆虫的植株。(4)若只用重组质粒感染甲种农作物叶片伤口，可在叶片组织中筛选出含丙种蛋白质的细胞，由于该重组质粒感染的是体细胞，故该植株的种子中不含有丙种蛋白质。答案(1)基因化学基因文库PCR(其他合理答案也可)

(2)限制DNA连接(3)乙种昆虫(4)不含易混点1混淆无子西瓜培育过程中父本与母本的选择与处 理

规避2个易混点

点拨

(1)无子西瓜的培育过程中，两次传粉的目的：第一次传粉是为了杂交得到三倍体种子，第二次传粉是为了刺激子房发育成果实。(2)如果以二倍体西瓜为母本，四倍体西瓜为父本，也能得到三倍体种子，但这种三倍体种子结的西瓜，因珠被发育成厚硬的种皮，故达不到“无子”的目的。(3)用秋水仙素处理二倍体西瓜幼苗使之成为四倍体时，处理的对象应是“幼苗或萌发的种子”。因为萌发的种子和幼苗具有分生能力，细胞进行有丝分裂，秋水仙素处理后可达到使产生的新细胞染色体数目加倍的目的。易混点2混淆“最简便”与“最快”

点拨

“最简便”着重于技术含量应为“易操作”如杂交育种，虽然年限长，但农民自己可简单操作，但“最快速”则未必简便如单倍体育种可明显缩短育种年限，但其技术含量却较高，单就花粉培养成幼苗已很难实现。纠错演练1．(2012·江苏苏北四市一次调研)下列有关育种的叙述中，错误的是 (

)。

A．用于大田生产的优良品种不一定是纯合子

B．通过植物组织培养技术培育脱毒苗，筛选培育抗病毒 新品种

C．诱变育种可提高突变频率，加速新基因的产生，从而 加速育种进程

D．为了避免对三倍体无子西瓜年年制种，可利用植物组 织培养快速繁殖解析植物组织培养技术属于无性繁殖，常采用茎尖部位进行培养，获得脱毒苗，不需要筛选；人工诱变育种的优点在于提高突变频率，加速新基因的产生，从而加速育种进程；三倍体无子西瓜减数分裂时联会紊乱，不能产生种子，可利用植物组织培养快速繁殖。答案B2．(2012·浙江金华十校期末，37)现有甲、乙两物种的植株(均为二倍体纯种)，其中甲种植株的光合作用能力高于乙种植株，但乙种植株很适宜在寒冷的条件下种植。若想培育出高产、耐寒的植株，有多种生物技术手段可以利用。下列所采用的技术手段中可能不可行的是 (

)。

A．先杂交得到F1，再利用单倍体育种技术获得纯种的目 标植株

B．将乙种植株耐寒基因导入到甲种植株的根尖中，可培 育出目标植株

C．利用人工诱变的方法处理乙种植株以获得满足要求的目标植株

D．诱导两种植株的愈伤组织细胞融合并培育成幼苗解析甲乙是两种物种，远缘杂交不亲和，两者不可杂交产生后代。答案A1.(2012·海南单科，25)已知小麦无芒(A)与有芒(a)为一对相对性状，用适宜的诱变方式处理花药可导致基因突变。为了确定基因A是否突变为基因a，有人设计了以下4个杂交组合，杂交前对每个组合中父本的花药进行诱变处理，然后与未经处理的母本进行杂交。若要通过对杂交子一代表现型的分析来确定该基因是否发生突变，则最佳的杂交组合是 (

)。各种育种的原理、方法及应用答案A2．(2012·天津理综，2)芥酸会降低菜籽油的品质。油菜有两对独立遗传的等位基因(H和h，G和g)控制菜籽的芥酸含量，下图是获得低芥酸油菜新品种(HHGG)的技术路线。已知油菜单个花药由花药壁(2n)及大量花粉(n)等组分组成，这些组分的细胞都具有全能性。 据图分析，下列叙述错误的是 (

)。A．①、②两过程均需要植物激素来诱导细胞脱分化B．与④过程相比，③过程可能会产生二倍体再生植株C．图中三种途径中，利用花粉培养筛选低芥酸植株 (HHGG)的效率最高D．F1减数分裂时，H基因所在染色体会与G基因所在染色 体发生联会解析本题主要考查杂交育种、单倍体育种及减数分裂的特点等知识。通过杂交方法可将不同个体的优良性状的基因集中到同一个个体中；通过单倍体育种可大大缩短育种年限。分析题图可知，①、②两过程均为细胞脱分化的过程，均需要植物激素来诱导，故A正确；由于花药由花药壁(2n)和大量花粉(n)等组分组成，由花药壁培养成的再生植株可能为二倍体，故B正确；利用花粉培养成的再生植株为单倍体，再用秋水仙素处理，使其染色体数目加倍，成为可育的纯合子，大大缩短了育种年限，故C正确；由于H基因所在的染色体与G基因所在的染色体不是一对同源染色体，因此，在减数分裂过程中，二者不会发生联会现象，故D错误。答案D3．(2012·海南单科，29)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。解析本题以三倍体无子西瓜的培育过程为信息载体，考查了多倍体育种的方法。(1)在三倍体无子西瓜培育过程中，以四倍体植株为母本，授以二倍体植株花粉，可获得三倍体西瓜种子(胚)。四倍体植株上产生的雌配子含有22条染色体，二倍体产生的雄配子含11条染色体，则合子中含有三个染色体组，33条染色体。(2)三倍体西瓜无子的原因是：三倍体的细胞含有三个染色体组，在减数分裂时，染色体联会紊乱，不能产生正常的生殖细胞。(3)由于三倍体植株不能进行有性繁殖，故可采用组织培养等无性生殖方式繁殖。答案(1)雌蕊(或柱头)

22

33(2)减数(3)组织培养(其他合理答案也可)4．(2012·浙江理综，32)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γ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。请回答下列问题。(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________