浙科版必修二 42生物变异在生产上的应用 学案.docx

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浙科版必修二42生物变异在生产上的应用学案

第二节　生物变异在生产上的应用

目标导航

　1.结合培育番茄新品种的实例，概述杂交育种的概念和基本过程。

2.结合基因突变的原理，阐明人工诱变育种的概念和过程。

3.比较杂交育种和诱变育种。

4.结合烟草新品种的选育过程，说明单倍体育种的过程及特点。

5.结合三倍体无籽西瓜的培育过程，说明多倍体育种的过程及特点。

6.通过转基因技术的过程介绍，说明转基因技术的过程及应用。

一、杂交育种

1．原理：

基因重组。

2．含义：

有目的地将两个或多个品种的优良性状组合在一起，培育出更优良的新品种。

3．方法：

杂交→选择→纯合化。

二、诱变育种

含义

利用物理、化学因素诱导生物发生变异，并从变异后代中选育新品种的过程

原理

基因突变与染色体畸变

人工诱变方法

辐射诱变和化学诱变

续表

特点

①可提高突变频率

②能在较短时间内有效地改良生物品种的某些性状

③改良作物品质，增强抗逆性

应用

用于作物、微生物和动物育种，其中在微生物育种方面成效极为明显

三、单倍体育种

1．单倍体特点

植株小而弱，且高度不育。

2．单倍体应用

选育新品种的原材料。

3．单倍体育种

（1）含义：

利用单倍体作为中间环节产生具有优良性状的可育纯合子的育种方法。

（2）原理：

染色体数目变异。

（3）特点：

缩短育种年限、排除显隐性干扰。

（4）方法：

获取杂种F1→取F1的花药离体培养,单倍体幼苗秋水仙素处理,染色体数目加倍的纯合植株选择,优良品种。

四、多倍体育种

1．多倍体特点

细胞大，细胞内有机物含量高、抗逆性强。

2．人工诱变多倍体

（1）方法：

目前效果较好的方法是用秋水仙素处理萌发的种子、幼苗等。

（2）机理：

秋水仙素能抑制细胞分裂时纺锤体的形成，因此染色体虽已复制，但不能分离，最终导致染色体数目加倍。

五、转基因技术

1．含义

2．过程

获取目的基因→将其导入受体细胞内并使其整合到受体的染色体上让其在受体内表达且该性状还能稳定地遗传给后代。

3．特点

4．应用

（1）利用植物转基因技术培育农作物新品种。

（2）利用动物基因技术培育动物新品种，并能利用转基因动物作为生物反应器生产医用蛋白和多肽。

（3）用于治理环境污染。

5．潜在威胁

判断正误：

（1）杂交育种过程中，从F2中选出符合人们要求性状的个体就可以大田推广种植。

（　　）

（2）诱变育种可提高变异频率，能够产生多种多样的新类型，为育种创造丰富的原材料。

（　　）

（3）由于基因突变的不定向性和低频性，基因突变产生的有利个体往往不多。

（　　）

（4）诱变育种可产生新基因从而定向改造生物性状。

（　　）

（5）单倍体植株虽然高度不育，但在育种中有重要作用。

（　　）

（6）转基因育种的原理是基因突变。

（　　）

（7）在育种过程中单倍体肯定可育，其优点是稳定遗传，后代不发生性状分离。

（　　）

（8）单倍体育种跟植物组织培养一样属于无性生殖。

（　　）

（9）单倍体育种比杂交育种时间短，能大大提高育种效率。

（　　）

（10）三倍体西瓜在减数分裂时，不能形成正常可育配子。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）√　（4）×　（5）√　（6）×　（7）×　（8）×　（9）√　（10）√

一、杂交育种的过程及应用

1．杂交育种的过程图解：

2．分析

（1）材料的选择：

要求所选育种材料分别具有我们所期望的个别性状，所选的原始材料，是人们在生产中多年栽培过的能稳定遗传的品种，一般是纯合子。

（2）杂交一次，得到的F1是杂合子，不管在性状上是否符合要求，一般都不能直接用于扩大栽培。

（3）让F1自交，得到F2。

性状的重新组合一般是在F2中出现，选出在性状上符合要求的品种，这些品种的基因型有纯合子，也有杂合子。

（4）把初步选出的品种进行隔离自交，根据F3是否出现性状分离，可以确定被隔离的亲本是否为纯合子。

如果是纯合子，F3不出现性状分离，同时，F3的基因型与亲本相同。

或者将具有优良性状的F2连续自交，选择能稳定遗传的优良品种。

3．几种常见的杂交育种类型（以两对相对性状为例）

（1）培育杂合子品种：

选取双亲杂交,子一代，需年年制种。

（2）培育隐性纯合子品种：

选取双亲杂交,子一代自交,子二代―→选出符合要求的类型就可以推广。

（3）培育显性纯合子（或一显一隐杂合子）品种：

选取双亲杂交,子一代自交,子二代选出符合要求的个体连续自交,选出稳定遗传的个体推广。

4．动、植物杂交育种的区别

（1）方法：

植物杂交育种中纯合子的获得不能通过测交，只能通过逐代自交的方法获得；而动物杂交育种中纯合子的获得一般不通过逐代自交，而通过测交的方法进行确认后而获得。

（2）实例：

现有基因型为BBEE和bbee的两种植物或动物，欲培育基因型为BBee的植物或动物品种，育种过程用遗传图解表示如下：

（1）杂交育种的原理是什么？

能产生新性状吗？

答案　基因重组。

杂交育种只能是原有基因的重新组合，产生新基因型的子代，但不能产生新基因，因而杂交育种也只能出现新的性状组合，不会出现新性状。

（2）培育细菌新品种时，能否用杂交育种的方法？

答案　杂交育种只适用于进行有性生殖的生物，如植物和动物。

细菌是原核生物，不能进行有性生殖。

1．有两种纯种的小麦，一为高秆（D）抗锈病（T），另一为矮秆（d）易感锈病（t），这两对性状独立遗传，现要培育矮秆抗锈病新品种，方法如下：

高秆抗锈病×矮秆易感锈病a,F1b,F2c,稳定遗传的矮秆抗锈病新品种

（1）这种育种方法叫________育种。

过程a叫________，过程b叫________。

（2）过程c的处理方法是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）F1的基因型是________，表现型是________，矮秆抗锈病新品种的基因型为________。

问题导析

（1）矮秆抗锈病新品种是高秆（D）抗锈病小麦和矮秆（d）易感锈病小麦两个品种的优良性状结合，此培育方法叫杂交育种。

（2）过程a叫杂交，产生的F1的基因型为DdTt，表现型为高秆抗锈病。

过程b是自交，目的是获得表现型为矮秆抗锈病的小麦品种，其基因通式为：

ddT_，其中只有基因型为ddTT的个体能够稳定遗传，若要得到该纯系则需经过c连续自交，直到后代无性状分离为止。

答案　

（1）杂交　杂交　自交

（2）连续种植和观察，直至选出能稳定遗传的矮秆抗锈病新品种

（3）DdTt　高秆抗锈病　ddTT

一题多变

（1）选育出的纯合子新品种，在F2所有的后代中的概率是多少？

那么它在F2的矮秆抗锈病后代中的概率又是多少？

选种应该从哪一代开始？

答案　1/16　1/9　F2。

（2）上述杂交育种过程至少需要几年的时间（假设每年只繁殖一代）?

答案　4年。

（3）若上述过程改为单倍体育种的过程，则后代中ddTT占所有后代的比例是多少？

单倍体育种获得新品种至少需要几年（假设每年只繁殖一代）？

为什么？

答案　1/4。

2年。

第一年：

种植亲代，杂交，收获F1种子；

第二年：

种植杂交种子，长成植株开花后，取其花粉粒（精子的基因型有四种，为DT、Dt、dT、dt）进行植物组织培养，得到单倍体植株（基因型也是四种，为DT、Dt、dT、dt）。

在单倍体植株的幼苗期，用秋水仙素进行染色体加倍，得到纯合的二倍体植株（基因型分别为DDTT、DDtt、ddTT、ddtt）。

选取表现型合乎要求的植株所结种子即可。

二、显性突变和隐性突变在育种中的应用

1．

（1）如果发生显性突变，在二倍体生物中通常第一代便会表现出来，但并不都是纯合子。

特别是在异花受粉的植物中，还必须经过两次自交到第三代才能得到稳定遗传的纯合突变类型。

如图所示：

（2）如果发生的是隐性突变，在自花受粉植物中只需要通过自交繁殖，到第二代便会有纯合的隐性突变体分离出来，虽然数目较少，但是一经出现便可选择应用。

如图所示：

2．杂交育种和诱变育种的比较

项目

杂交育种

诱变育种

原理

基因重组

基因突变

方法

杂交→自交→筛选→自交

辐射诱变、激光诱变、化学药剂诱变

优点

使不同个体的优良性状集中于同一个个体上

可以提高变异的频率，大幅度改良某些性状，加速育种进程

局限性

育种年限较长

有利变异的个体不多，需大量处理实验材料

（1）出现变异的个体，表现出新性状，试分析出现新性状的本质原因是什么。

答案　诱变育种能产生新基因，从而产生新性状。

（2）科学家为什么要将生物送入太空？

答案　在太空的诱变因素作用下，可以提高基因的突变率和染色体的畸变率，产生大量的变异类型，从而为生物育种提供大量的原材料。

2．如下图所示，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。

已知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）两种新性状中，棕色是________性状，低酚是________性状。

（2）诱变当代中，棕色、高酚的棉花植株的基因型是________，白色、高酚的棉花植株的基因型是________。

（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1代中选择另一亲本，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）。

问题导析

（1）基因突变一般只是等位基因的一个基因发生突变，分为显性突变和隐性突变二种情况，即：

①诱变当代获得棕色新性状→棕色为显性性状且诱变当代基因型为AaBB。

②诱变1代获得低酚新性状→低酚为隐性性状且诱变当代基因型为aaBb。

（2）要培育纯合棕色低酚植株其基因型为AAbb，需用基因型为AABB的植株与诱变1代的白色低酚aabb植株进行杂交，若要尽快选育则用单倍体育种方法，其可明显缩短育种年限。

答案　

（1）显性　隐性　

（2）AaBB　aaBb

（3）不发生性状分离（或全为棕色棉，或没有出现白色）

遗传图解：

一题多变

（1）用60Co的γ射线辐射植物种子的目的是________。

（2）用60Co的γ射线辐射原本开红花的植物种子，诱导产生了开白花、蓝花的植株等，说明基因突变具有________性。

50株突变植株中，47株逐渐死亡，说明基因突变具有________的特性。

（3）育种时用60Co的γ射线辐射正在萌发的种子，而不用60Co的γ射线辐射休眠的种子的原因是______________________。

萌发种子的所有突变________（填“能”或“不能”）全部遗传给子代。

（4）假如在用60Co的γ射线辐射正在萌发的种子的过程中，同时也诱导控制细胞色素C合成的基因发生了如白花、蓝花基因的突变形式，其中对植物影响较大的突变形式是如________的突变。

假如诱变产生的蓝花植株自交，其后代中又出现了红花植株，这说明蓝花突变是________突变。

答案　

（1）提高变异频率　

（2）不定向　一般有害

（3）萌发的种子中细胞分裂旺盛，DNA复制旺盛，易发生基因突变　不能　（4）蓝花基因　显性

三、单倍体育种与多倍体育种

1．单倍体育种与多倍体育种比较

单倍体育种

多倍体育种

原理

染色体数目以染色体组形式成倍减少，然后再加倍从而获得纯种

染色体数目以染色体组形式成倍增加

方法

花药离体培养获得单倍体，再用秋水仙素处理幼苗

秋水仙素处理正在萌发的种子或幼苗

优点

明显缩短育种年限

器官大，营养成分含量高，产量增加

缺点

技术复杂，需要与杂交育种配合

适用于植物，动物难以开展。

多倍体植物生长周期延长，结实率降低

2.三倍体无籽西瓜培育过程

特别提醒　自然形成多倍体的过程

1．单倍体育种中花药离体培养和人工诱导染色体数目加倍的目的分别是什么？

答案　花药离体培养的目的是产生高度不育的单倍体植株；人工诱导染色体数目加倍的目的是通过诱导产生可育的纯合植株。

2．分析单倍体育种为什么可以缩短育种年限、提高育种效率。

答案　①单倍体育种中使用秋水仙素处理单倍体植株，可以快速获得大量纯种个体，缩短了纯化基因型的时间。

②单倍体育种获得的是纯合子植株，基因型与表现型一致，可直接通过表现型来判断基因型，提高了育种效率。

3．三倍体西瓜为什么无籽？

无籽性状能否传递？

答案　三倍体西瓜细胞内有三个染色体组，在减数分裂时同源染色体联会紊乱，无法形成有活性的配子，导致不育；无籽西瓜的遗传物质发生了改变，属于可遗传的变异，通过无性生殖可传递给下一代。

3．请据图回答下列问题：

（1）过程①③④⑤的育种方法是________，依据的遗传学原理是__________________。

（2）若C品种的基因型为AaBbdd，D植株中能稳定遗传的个体占总数的________。

（3）⑤过程使染色体数目加倍的方法是用________处理，该方法的原理是__________________。

（4）若C作物为水稻，非糯性和糯性是一对相对性状，经过③过程形成的花粉粒加碘液染色，置于显微镜下观察，一半花粉呈现蓝黑色，另一半呈现橙红色，实验结果验证了________定律。

问题导析

（1）单倍体育种的原理是染色体数目变异；

（2）稳定遗传个体基因型为AA、aa占1/2，BB、bb占1/2，dd占1，共占1/2×1/2×1＝1/4；

（3）单倍体育种过程中，可以用秋水仙素处理幼苗抑制纺锤体的形成，使染色体数目加倍；

（4）颜色反应说明不同花粉中可能存在不同的基因型，从而可以证明基因的分离定律。

答案　

（1）单倍体育种　染色体数目变异

（2）1/4

（3）秋水仙素　抑制纺锤体的形成，使染色体数目加倍

（4）基因的分离

一题多变

如图，甲、乙表示两个水稻品种，A、a和B、b分别表示位于两对同源染色体上的两对等位基因，①～⑥表示培育水稻新品种的过程，下列说法正确的是（　　）。

A．①→②过程简便，可缩短培育周期

B．②的变异发生于有丝分裂间期

C．③过程常用的方法是花药离体培养

D．③→⑥过程与①→④→⑤过程的育种原理相同

答案　C

解析　①→②过程是杂交育种，过程简便，但培育周期长，故A项错；杂交育种的原理是基因重组，基因重组发生在减数分裂的过程中，即②的变异发生在减数分裂过程中，故B项错；经③过程获得Ab的单倍体，故③是花药离体培养，C项正确；③→⑥过程是单倍体育种，其原理为染色体数目变异，①→④→⑤过程是杂交育种，其原理是基因重组，故D项错误。

四、五种育种方法的比较

杂交育种

诱变育种

单倍体育种

多倍体育种

转基因技术育种

原理

基因重组

基因突变和染色体畸变

染色体畸变

染色体畸变（数目变异）

基因重组

方法

杂交→自交→选择→纯合化

辐射诱变、化学药剂处理

花药离体培养、秋水仙

素诱导加倍

秋水仙素处理萌发的种子或幼苗

将目的基因导入受体细胞

优点

不同个体的优良性状可

集中到同一

个体上

提高变异频率，大幅度改良某些性状，加速育种进程

明显缩短育种年限

操作简单，可在短时

间内获得

所需类型

实现不同种间遗传物质交换；针对性强；效率高

杂交育种

诱变育种

单倍体育种

多倍体育种

转基因技术育种

缺点

时间长，需要及时发现

优良性状的

植株

有利变异少，需要处理大量实验材料，具有不确定性

技术复杂，成本高

适用于植物，在动物

方面难以

开展

存在潜在威胁

举例

抗病红果肉番茄品种的

培育

“太辐一号”小麦的培育

抗病植物的快速培育

三倍体无籽西瓜的培育

抗冻西红柿的培育

总结判断育种方式的技巧

（1）从所实现的效果上来判断：

①实现了优良性状的集中，则为杂交育种；

②产生了新基因、新性状，则为诱变育种；

③产生了多倍体植株，则为多倍体育种；

④产生了单倍体植株，则为单倍体育种；

⑤实现了物种间的基因交流，则为基因工程育种。

（2）从所采用的手段上来判断：

①运用了杂交手段，则为杂交育种；

②运用了射线处理的方法，则为诱变育种；

③运用了花药离体培养的方法，则为单倍体育种；

④存在秋水仙素直接处理萌发的种子或幼苗的过程，则为多倍体育种；

⑤运用了转基因手段，则为基因工程育种。

4．能够打破物种界限，定向改造生物遗传性状，按照人们的意愿培育生物新品种的方法是（　　）。

A．诱变育种和转基因技术B．杂交育种和诱变育种

C．杂交育种和基因工程D．基因工程

问题导析

（1）杂交育种是利用同种生物的不同品种进行交配，然后选育出新品种的方法；

（2）诱变育种是利用人工条件诱发基因突变或染色体畸变，可导致新基因的产生，但基因突变具有多方向性；

（3）基因工程可以将控制特定性状的基因从一种生物体内转移到另一种生物体内，使基因实现了跨物种的转移，定向改造生物的遗传性状。

答案　D

一题多变

请将下列育种实例与对应的育种方法进行连线。

1．杂交育种是植物育种的常规方法，其选育新品种的一般方法是（　　）。

A．根据杂种优势原理，从子一代中即可选出

B．从子三代中选出，因为子三代中才出现纯合子

C．既可从子二代中选出，也可从子三代中选出

D．只能从子四代中选出能稳定遗传的新品种

答案　C

解析　杂交育种从子二代开始出现性状分离。

2．不属于诱变育种特点的是（　　）。

A．具有不定向性B．提高变异的频率

C．多数有害D．多数有利

答案　D

3．下列几种育种方法，能改变原有基因的分子结构的是（　　）。

A．杂交育种B．诱变育种

C．单倍体育种D．多倍体育种

答案　B

解析　基因的分子结构的改变是指基因中脱氧核苷酸的种类或顺序发生改变——基因突变。

杂交育种、单倍体育种和多倍体育种都是在原有基因结构的基础上，经过重新组合、加倍等过程产生新的性状组合，基因结构不发生变化。

4．将二倍体芝麻的种子萌发成的幼苗用秋水仙素处理后得到的四倍体芝麻

（　　）。

A．对花粉进行离体培养，可得到二倍体芝麻

B．产生的配子没有同源染色体，所以无遗传效应

C．与原来的二倍体芝麻杂交，产生的是不育的三倍体芝麻

D．秋水仙素诱导染色体加倍时，最可能作用于细胞分裂的后期

答案　C

解析　二倍体芝麻幼苗用秋水仙素处理，得到的是同源四倍体，体细胞内有4个染色体组，而且每个染色体组之间都有同源染色体。

由四倍体的配子发育来的芝麻是单倍体，含两个染色体组，所以该单倍体芝麻是可育的。

四倍体的配子中有两个染色体组，二倍体的配子中有一个染色体组，所以四倍体与二倍体杂交产生的是三倍体芝麻，由于三倍体芝麻在减数分裂过程中同源染色体联会紊乱，不能形成正常的配子，所以不育。

秋水仙素诱导染色体加倍时，起作用的时期是细胞分裂的前期，抑制纺锤体的形成。

5．改良缺乏某种抗病性的棉花品种，不宜采用的方法是（　　）。

A．诱变育种B．单倍体育种

C．基因工程育种D．杂交育种

答案　B

解析　诱变育种、基因工程育种和杂交育种均可获得抗病基因，而单倍体育种不能。

6．三倍体无籽西瓜培育原理及流程如下图。

（1）无籽西瓜的培育方法叫________，其理论基础是________。

秋水仙素的作用是___________________________________________________。

（2）四倍体植株授以二倍体西瓜的花粉，所结果实各个部分的染色体组数目是：

果皮________，种皮________，胚________。

（3）四倍体母本植株吸收的水分主要用于________。

其吸水的主要部位的细胞中含有________个染色体组。

（4）多倍体植株在生产上具有一定的利用价值是因为___________________________________________________________。

答案　

（1）多倍体育种　染色体畸变　抑制细胞分裂时纺锤体的形成

（2）4　4　3

（3）蒸腾作用　两

（4）多倍体的细胞通常比二倍体的细胞大，细胞内有机物的含量高、抗逆性强，在生产上具有很好的经济价值

解析　二倍体西瓜的种子或幼苗经秋水仙素处理后，细胞中的染色体加倍成为四倍体。

四倍体西瓜植株授以二倍体西瓜的花粉，所结果实的果皮由四倍体西瓜雌蕊的子房壁发育而成，应为四倍体；种皮由珠被发育而成，也应为四倍体；胚是受精卵发育来的，为三倍体。

西瓜植株吸收的水分主要用于蒸腾作用，用秋水仙素处理幼苗时，由于根部细胞没有受到处理，所以染色体数目不变，仍含两个染色体组。

多倍体的细胞通常比二倍体的细胞大，细胞内有机物的含量高、抗逆性强，在生产上具有很好的经济价值。