杂交育种与变育种基因工程的应用

基因工程的应用杂交育种与诱变育种

第1、2节杂交育种与诱变育种

基因工程及其应用

高频考点突破实验专题探究第2节生命活动的主要承担者—蛋白质根底自主梳理命题视角剖析即时达标训练根底自主梳理一、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_____和_____，获得新品种的方法。2．原理：________。3．过程：选择具有不同优良性状的亲本→_______，获得F1→F1自交或杂交→获得F2→_____________需要的类型，优良品种。选择培育基因重组杂交鉴别、选择4．优点：可以把多个品种的优良性状集中在一起。5．缺点：获得新品种的周期____。6．意义：根据需要培育理想类型。思考感悟1．在杂交育种中，如果新品种是杂合子，如玉米、水稻应注意什么？如果新品种是纯合子，如小麦应该注意什么？【提示】在杂交育种中，如果新品种是杂合子，每年都要育种。如果新品种是纯合子，要通过多代自交淘汰杂合子。长二、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__________，从而获得优良变异类型的育种方法。2．原理：___________。3．过程：选择生物→诱发基因突变→选择__________→培育。4．优点(1)可以提高__________，在较短时间内获得更多的优良变异类型。基因突变基因突变理想类型突变频率有利DNA重组定向基因重组3．根本工具(1)基因的剪刀：_________________。(2)基因的针线：_____________。(3)基因的运载体：常用的有______、噬菌体和动植物病毒等。4．操作步骤提取___________↓目的基因与_________结合↓将目的基因导入__________↓目的基因的_____________限制性核酸内切酶DNA连接酶质粒目的基因运载体受体细胞表达和检测5．应用(1)作物育种：利用基因工程的方法，获得高产、稳产和具有优良品质的农作物，培育出具有各种抗逆性的作物新品种，如_______等。(2)药物研制：利用基因工程的方法，培养转基因生物，利用转基因生物生产出各种高质量、低本钱的药品，如胰岛素、__________、乙肝疫苗等。(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。抗虫棉干扰素思考感悟2．DNA连接酶与DNA聚合酶和DNA酶有什么不同？【提示】

DNA连接酶是连接的DNA片段。DNA聚合酶是在DNA复制时，将单个的脱氧核苷酸连接成DNA分子。DNA酶的作用是水解DNA。高频考点突破考点一几种育种方法的比较【易误警示】杂种优势不同于杂交育种，杂种优势是杂交子一代所表现的优良性状。lndxjzwlndxjzwsyzldxbdxyysydxyysydxzxsydxzxsysjzjlzzldxzxlnsysdxyyccsdxyyccsdxyyjlsdxzxjlsdxzxccsdxzxdxbkysdxbkywdxbkywdxbjkwzxjlsdxyysxzljsflsxjsflzlsxjsfl120sjsrzlzxsjzzljsflsjzjsflzlsjzjsflyysjzjsfl120hbzljsflsjsryy120hbjsflzlhbjsflyyhbjsfl120bjzljsfltyzlyyznmsdx120nmszldxnmszldxnmzldxnmzldxnmszlzxnmszlzxdxzxnmdxzxnmnmdxyjsnmdxyjssddxqzw即时应用(随学随练，轻松夺冠)1．(2021年深圳调研)如图表示某种农作物品种①和②培育出⑥的几种方法，有关说法错误的选项是()A．经过Ⅲ培育形成④常用的方法是花药离体培养B．过程Ⅵ常用一定浓度的秋水仙素处理④的幼苗C．由品种①直接形成⑤的过程必须经过基因突变D．由品种①和②培育能稳定遗传的品种⑥的最快途径是I→V解析：选D。品种①的基因型为AABB，品种②的基因型为aabb，要培育出基因型为AAbb的品种⑥最快的途径应为单倍体育种，所以应为途径Ⅰ→Ⅲ→Ⅵ，而Ⅰ→Ⅴ途径获得的子代中既有纯合体又有杂合体，还需要不断的连续自交进行筛选才能获得需要的品种⑥。考点二正确理解基因重组与基因工程间的关系解析：选A。构建重组DNA分子时，需用同种限制性核酸内切酶切割目的基因和载体，再用DNA连接酶连接形成重组DNA分子，而烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，所以A项错误。重组DNA分子形成后要导入受体细胞(假设是植物细胞，那么可导入其原生质体)，假设导入的受体细胞是体细胞，经组织培养可获得转基因植物。目的基因为抗除草剂基因，所以未成功导入目的基因的细胞不具有抗除草剂的能力，可用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞。实验专题探究杂交育种实验1．培育杂合子品种——杂种优势的利用在农业生产上，可以将杂种一代作为种子直接利用，如水稻、玉米等。(1)根本步骤：选取双亲P(♀、♂)→杂交→F1。(2)特点：高产、优质、抗性强，但种子只能种一年。2．培育纯合子品种(1)培育隐性纯合子品种的根本步骤选取双亲P(♀、♂)→杂交→F1→自交→F2→选出表现型符合要求的个体种植推广。(2)培育双显纯合子或一隐一显杂合子品种的根本步骤选取双亲P(♀、♂)→杂交→F1→自交→F2→选出表现型符合要求的个体自交→F3→……→选出稳定遗传的个体推广种植。(3)特点：操作简单，但需要的时间较长。实战演练(专项提能，小试牛刀)现有两个小麦品种，一个纯种小麦的性状是高秆(D)，抗锈病(T)；另一个纯种小麦的性状是矮秆(d)，易染锈病(t)。两对基因独立遗传。育种专家提出了如下图的Ⅰ、Ⅱ两种育种方法以获得小麦新品种。问：(1)要缩短育种年限，应选择的方法是____________，依据的原理是____________；另一种方法的育种原理是________________________________________________________________________。(2)图中①和④基因组成分别为____________和________。(3)(二)过程中，D和d的别离发生在________________________________________________________________________；(三)过程采用的方法称为__________；(四)过程最常用的化学药剂是____________。(4)(五)过程产生的抗倒伏抗锈病植株中的纯合子占________；如果让F1按(五)、(六)过程连续自交2代，那么⑥中符合生产要求的能稳定遗传的个体占________。(5)如将方法Ⅰ中获得的③⑤植株杂交，再让所得到的后代自交，那么后代的基因型比例为________________________________________________________________________。解析：图中(一)过程属于杂交过程，作用是把矮秆和抗病性状组合到一个植株上。图中(二)是F1种下后，开花时产生花粉(雄配子)的过程中要进行减数分裂，两对等位基因自由组合后产生4种配子(DT、Dt、dT、dt)。根据图中可知，①的基因型是DT，②的基因型是dT。图中(三)是培养单倍体的过程，一般用花药离体培养的方法获得单倍体植株。图中(四)是诱导染色体增倍的过程，常用的方法是用秋水仙素处理单倍体幼苗，经诱导后长成的植物体一定是纯合子，仔细分析图，可得出图中的③④⑤对应的基因型是DDtt、ddTT和ddtt。Ⅰ属于单倍体育种，Ⅱ是杂交育种。图中(五)过程是指F1自交的过程，其后代中的矮秆抗锈病植株的表现型虽符合要求，但其中能稳定遗传的纯合子只有1/3，还有2/3是杂合子，不能稳定遗传，其基因型是ddTT(1/3)和ddTt(2/3)。如果再让其自交一代，各种基因型比例的计算方法是：ddTT自交后代仍是ddTT，占总数1/3；ddTt自交后代中的基因及其比例是：ddTT(1/4)、ddTt(2/4)、ddtt(1/4)，占总数2/3。所以计算总结果是：ddTT＝1/3＋(1/4)×(2/3)＝1/2，ddTt＝(2/4)×(2/3)＝1/3，ddtt＝(1/4)×(2/3)＝1/6，其中ddTT符合生产要求。题中第(5)小题的计算方法是：③⑤的基因型分别是DDtt和ddtt，因为两个体中的第二对基因都是tt，不管是自交还是杂交，对后代基因型的比例都没有影响，所以只要考虑DD和dd就可以了。答案：(1)Ⅰ染色体变异基因重组(2)DTddTT(3)减数分裂第一次分裂后期花药离体培养秋水仙素(4)1/31/2(5)DDtt∶Ddtt∶ddtt＝1∶2∶1命题视角剖析视角1紧扣教材重点几种育种方法的比较 传统的农作物育种方法一般是杂交育种，如图为抗旱小麦的几种不同育种方法示意图。据图答复以下问题：例1视角2洞察高考热点育种方法的选择例2 (2021年高考安徽卷)如以下图所示，科研小组用60Co照射棉花种子，诱变当代获得棕色(纤维颜色)新性状，诱变1代获得低酚(棉酚含量)新性状。棉花的纤维颜色由一对基因(A、a)控制，棉酚含量由另一对基因(B、b)控制，两对基因独立遗传。(1)两个新性状中，棕色是________性状，低酚是________性状。(2)诱变当代中，棕色、高酚的棉花植株基因型是______，白色、高酚的棉花植株基因型是______。(3)棕色棉抗虫能力强，低酚棉产量高。为获得抗虫高产棉花新品种，研究人员将诱变1代中棕色、高酚植株自交，每株自交后代种植在一个单独的区域，从________________的区域中得到纯合棕色、高酚植株。请你利用该纯合体作为一个亲本，再从诱变l代中选择另一个亲本，设计一方案，尽快选育出抗虫高产(棕色、低酚)的纯合棉花新品种(用遗传图解和必要的文字表示)。【尝试解答】(1)显性隐性(2)AaBBaaBb(3)不发生性状别离(或全为棕色棉，或没有出现白色棉)【解析】(1)因为诱变当代中的棕色、高酚性状个体自交发生性状别离，出现白色、高酚性状，故棕色为显性性状，白色为隐性性状；白色、高酚性状个体自交也发生性状别离，出现白色、低酚性状，故高酚为显性性状，低酚为隐性性状。(2)根据显隐性关系以及诱变1代的性状表现，可以推断诱变当代中的棕色、高酚的棉花植株基因型为AaBB，而白色、高酚的棉花植株基因型为aaBb。(3)由题意知，纯合棕色、高酚植株的基因型是AABB，需要培育的类型是棕色、低酚植株，其基因型是AAbb，那么另一个亲本的基因型是aabb，最快的育种方法是单倍体育种。即由以上两个亲本杂交得到F1，取F1的花粉进行花药离体培养得到单倍体幼苗，再用秋水仙素处理单倍体幼苗，从其后代中选出棕色、低酚性状的植株就是所要选育的新品种。视角3突破易错疑点对基因工程中一些观点说法辨析不清(1)限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用部位都是脱氧核苷酸之间形成的磷酸二酯键(不是氢键)，只是一个切开，一个连接。(2)DNA酶即DNA水解酶，是将DNA水解的酶；DNA聚合酶是在DNA复制过程中，催化形成新DNA分子的酶，是将单个游离的脱氧核苷酸加到DNA片段上，需要模板；但DNA连接酶是将两个DNA片段的两个缺口同时连接，不需要模板，两者作用的化学键相同，都是磷酸二酯键。(3)限制酶在第一步和第二步操作中都用到，且要求用同一种酶，目的是产生相同的黏性末端；第二步中两种工具酶都用到。(4)受体细胞动物一般用受精卵，植物假设用体细胞那么通过组织培养的方式形成新个体。(5)抗虫棉只能抗虫，不能抗病毒、细菌。自我挑战DNA连接酶和限制酶分别作用于图中的(

)A．①③

B．④④C．②②D．①④【尝试解答】

__B__【解析】两种酶都作用于核苷酸之间形成的磷酸二酯键，而非氢键等其他化学键。即时达标训练高考热点集训〔6〕——生物育种1．(2021年北京东城区期末测试)用高秆抗锈病(DDTT)和矮秆不抗锈病(ddtt)的二倍体水稻品种进行育种时，方法一是杂交得到F1，F1再自交得到F2，然后选育所需类型；方法二是用F1的花药进行离体培养，再用秋水仙素处理幼苗得到相应植株。以下表达正确的选项是()A．方法一所得F2中重组类型、纯合子各占3/8、1/4B．方法二所得植株中纯合子、可用于生产的类型比例分别为1/2、1/4C．方法一和方法二依据的主要原理分别是基因重组和染色体结构变异D．方法二的最终目的是获得单倍体植株，秋水仙素可提高基因突变频率解析：选A。考查学生对基因的自由组合定律的应用。由题目信息联想到基因的自由组合定律和单倍体育种的知识，两个亲本的基因型是DDTT和ddtt，为双显性和双隐性纯合子，可知其子二代中重组类型、纯合子各占3/8、1/4是正确的。单倍体育种所得子代均为纯合子，B错；单倍体育种依据的主要原理是染色体数目的变异，C错；单倍体育种的最终目的是获得符合生产要求的纯合植株，D错；应选A。A．过程②通常使用的试剂是秋水仙素，作用时期为有丝分裂间期B．通过过程①得到的植株A的基因型为aaBB的可能性为1/4C．过程①属于植物的组织培养，在此过程中必须使用一定量的植物激素D．与杂交育种相比，该育种方法的优点是能明显缩短育种年限解析：选CD。单倍体育种过程中常用秋水仙素处理使染色体数目加倍，秋水仙素作用的时期是有丝分裂前期而不是间期；植物体(AaBb)通过减数分裂得到AB、Ab、aB、ab四种类型的配子，各占1/4，通过过程①得到的植物A仍然是单倍体；植物组织培养过程中，诱导脱分化再分化需要添加一定量的植物激素；单倍体育种可明显缩短育种年限。A．上述材料中，江苏某农科所培育糯性小麦的过程中运用的遗传学原理是基因突变B．要想在短时间内获得糯性小麦的育种方法是a，此方法能提高突变率C．a、c过程都需要使用秋水仙素，都作用于萌发的种子D．要获得yyRR，b过程需要进行不断地自交来提高纯合率，理论上F2中获得yyRR的几率是1/16解析：选D。由题意可知，糯性小麦是通过种间杂交及屡次回交后获得的。杂交与回交都是亲代通过减数分裂产生重组型的配子，雌雄配子经过受精作用产生子代，此过程的遗传学原理是基因重组；a过程属于单倍体育种，其特点是能够明显缩短育种年限；c过程为多倍体育种；单倍体育种与多倍体育种都需要使用秋水仙素，前者处理的是幼苗，后者处理的是萌发的种子或幼苗；b过程是杂交育种，可通过不断连续自交淘汰发生性状别离的个体，不断提高纯合率，F1基因型为YyRr，两对基因分别位于两对同源染色体上，F2中yyRR的几率是1/16。4．为获得纯合高蔓抗病番茄植株，采用了以下图所示的方法：图中两对相对性状独立遗传。据图分析，不正确的选项是()A．过程①的自交代数越多，纯合高蔓抗病植株的比例越高B．过程②可以取任一植株的适宜花药作培养材料C．过程③包括脱分化和再分化两个过程D．图中筛选过程不改变抗病基因频率解析：选D。过程①属于杂交育种，通过连续自交，不断淘汰不需要的类型，后代纯合高蔓抗病植株的比例越来越高；过程②属于单倍体育种，由于F1植株的基因型相同，所以取任一植株的花药离体培养都能到达相同的目的；过程③是植物组织培养的过程，该过程包括脱分化和再分化两个过程；图中筛选过程使抗病基因频率升高。A．B→E过程中细胞全能性的上下发生了改变B．C试管中形成的是高度液泡化的薄壁细胞C．A植株和F植株体细胞中的染色体组数相同D．培养出的F植株一般不能直接应用于扩大种植解析：选C。这个植物组织培养的材料是植物的花粉，即玉米植物的生殖细胞，是由减数分裂得到的。所以F植物的染色体组是A植株的一半。7．(2021年天津河西区调研)以下图列举了几种植物的育种方式，以下有关表达正确的选项是()A．甲过程中诱导细胞融合的方法有物理、化学和病毒三种B．通过丁种方式可获得脱毒苗，培养过程中c常常取用茎尖的原因是细胞具有全能性C．乙方式中射线处理后就可以获得大量的有利性状的材料D．甲、丙两种育种方式与传统杂交育种相比，其优点是能克服不同物种间远缘杂交的不亲和性解析：选D。诱导植物细胞融合的方法有物理、化学两种；通过丁方式可获得脱毒苗，培养过程外植体常取用茎尖的原因是茎尖有丝分裂旺盛，刚分裂产生的茎尖细胞不含病毒；因基因突变具有不定向性且多有害，故乙方式中射线处理后可能不能获得有利的变异性状；育种方式甲和丙分别是植物体细胞杂交、基因工程育种，它们均能克服远缘杂交不亲和的障碍。8．普通小麦中有高秆抗病(TTRR)和矮秆易感病(ttrr)两个品种，控制两对性状的基因分别位于两对同源染色体上。实验小组利用不同的方法进行了如下三组实验：请分析答复：(1)A组由F1获得F2的方法是__________，F2矮杆抗病植株中不能稳定遗传的占____________。(2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类矮秆抗病植株中，最可能产生不育配子的是____________类。(3)A、B、C三组方法中，最不容易获得矮秆抗病小麦品种的是______组，原因是________________________________________________________________________。(4)通过矮秆抗病Ⅱ获得矮秆抗病小麦新品种的方法是__________________________。获得的矮秆抗病植株中能稳定遗传的占________。(5)在一块高秆(纯合体)小麦田中，发现了一株矮秆小麦。请设计实验方案探究该矮秆性状出现的可能原因(简要写出所用方法、结果和结论)。________________________________________________________________________。解析：此题侧重于对诱变育种、杂交育种和单倍体育种的比较。(1)杂交育种是具两对相对性状的纯合子杂交得F1，F1再自交得F2，在F2中出现所需的类型，假设是显性性状还需连续自交直至不发生性状别离为止。F2中矮秆抗病有1ttRR、2ttRr，其中不能稳定遗传的(ttRr)占2/3。(2)花药离体培养得到的是单倍体植株，不能进行正常的减数分裂，所以不能产生正常的配子。(3)基因突变的频率较低，而且是不定向的。(4)单倍体育种是先通过花药离体培养获得单倍体，再用秋水仙素处理单倍体幼苗，诱导染色体加倍，得到的个体一定是纯合体。(5)高秆(纯合体)小麦田中，发现了一株矮秆小麦，可能有两个原因：基因突变或环境因素的影响。前者引起的变异是能遗传的；仅环境影响引起的变异是不能遗传的，仍是高秆基因。因是探究实验，结果和结论要分别考虑这两种情况。答案：(1)自交2/3(2)Ⅱ(3)C基因突变的频率极低且不定向(4)秋水仙素(或低温)诱导染色体加倍100%(5)将矮秆小麦与高秆小麦杂交；如果子一代为高秆，子二代高秆∶矮秆＝3∶1(或出现性状别离)，那么矮秆性状是基因突变造成的；否那么，矮秆性状是环境引起的。或将矮秆小麦与高秆小麦种植在相同环境条件下，如果两者未出现明显差异，那么矮秆性状由环境引起，否那么，矮秆性状是基因突变的结果9．(2021年高考四川理综卷)大豆是两性花植物。下面是大豆某性状的遗传实验：(1)大豆叶颜色(BB表现深绿；Bb表现浅绿；bb呈黄色，幼苗阶段死亡)和花叶病的抗性(由R、r基因控制)遗传的实验结果如下表：①组合一中父本的基因型是________，组合二中父本的基因型是________。②用表中F1的子叶浅绿抗病植株自交，在F2的成熟植株中，表现型的种类有_______________________________，其比例为____________。③用子叶深绿与子叶浅绿植株杂交得F1，F1随机交配得到的F2成熟群体中，B基因的基因频率为____________。④将表中F1的子叶浅绿抗病植株的花粉培养成单倍体植株，再将这些植株的叶肉细胞制成不同的原生质体。如要得到子叶深绿抗病植株，需要用________基因型的原生质体进行融合。⑤请选用表中植物材料设计一个杂交育种方案，要求在最短的时间内选育出纯合的子叶深绿抗病大豆材料。_______________________________。(2)有人试图利用细菌的抗病毒基因对不抗病大豆进行遗传改进，以获得抗病大豆品种。①构建含外源抗病毒基因的重组DNA分子时，使用的酶有________________________________。②判断转基因大豆遗传改进成功的标准是______________，具体的检测方法_________________________________。(3)有人发现了一种受细胞质基因控制的大豆芽黄突变体(其幼苗叶片明显黄化，长大后与正常绿色植株无差异)。请你以该芽黄突变体和正常绿色植株为材料，用杂交实验的方法，验证芽黄性状属于细胞质遗传。(要求：用遗传图解表示)解析：(1)①根据组合一中不抗病母本与抗病父本杂交，所得后代全为抗病植株可知，抗病对不抗病为显性，再根据各组合中F1的表现型及比例可推出组合一中父本基因型为BbRR，组合二中父本基因型为BbRr。②表中F1浅绿抗病植株基因型为BbRr，假设每对性状分别考虑，其自交所得的F2成熟植株中子叶的基因型为bb的个体幼苗阶段死亡，表现型只有2种(深绿1/3、浅绿2/3)，花叶病抗性表现型有2种(抗病3/4、不抗病1/4)，所以两种性状组合的表现型应有4种，其中深绿抗病占1/3×3/4，深绿不抗病占1/3×1/4，浅绿抗病占2/3×3/4，浅绿不抗病占2/3×1/4。其比例为子叶深绿抗病∶子叶深绿不抗病∶子叶浅绿抗病∶子叶浅绿不抗病＝3∶1∶6∶2。④表中F1的子叶浅绿抗病植株基因型为BbRr，产生花粉培养成单倍体植株基因型为BR、Br、bR、br四种。要获得子叶深绿抗病植株的基因型为BBR－，所以用来融合的原生质体基因型为BR与BR或BR与Br。⑤纯合的子叶深绿抗病植株基因型为BBRR，组合一中用作父本的植株基因型为BbRR，只要将该植株自交，获得的深绿抗病植株即为BBRR。(2)①构建重组DNA分子时先用限制性核酸内切酶切割形成黏性末端，再用DNA连接酶连接目的基因和运载体形成重组DNA分子。②转基因大豆改进成功的标准是具有抗病的性状，通过病毒来检测大豆是否具有抗病的性状。(3)验证某一性状为细胞质遗传的方法为正交与反交法，细胞质遗传正交与反交的结果不相同，子代均与母本表现一致。答案：(1)①BbRRBbRr②子叶深绿抗病∶子叶深绿不抗病∶子叶浅绿抗病∶子叶浅绿不抗病3∶1∶6∶2③80%④B