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必修2第三单元生物的变异育种和进化

第三单元　生物的变异、育种和进化

第一讲

生物的变异

知识点一　基因突变

1．填写基因突变的类型和特点

（1）类型：

碱基对的增添、缺失和替换。

（2）特点

2．连线表示诱发基因突变的因素

知识点二　基因重组

（1）实质：

控制不同性状的基因重新组合。

（2）类型

（3）结果：

产生新基因型，导致重组性状出现。

知识点三　染色体变异

1．连线表示染色体结构变异的类型

2．染色体数目变异

（1）比较单倍体、二倍体和多倍体：

①单倍体：

体细胞中含有配子中染色体数目的个体。

②二倍体：

由受精卵发育而来，体细胞中含有两个染色体组的个体。

③多倍体：

由受精卵发育而来，体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体。

（2）据流程图回答单倍体育种和多倍体育种：

①图中a过程和c过程操作用是秋水仙素处理萌发种子或幼苗，其作用原理是秋水仙素抑制纺锤体形成。

②图中b过程是花药离体培养。

③单倍体育种的优点是明显缩短育种年限。

一、理解运用能力

1．判断有关基因突变和基因重组叙述的正误。

（1）A基因突变为a基因，a基因还可能再突变为A基因（2011·海南卷T8A）（√）

（2）人类镰刀型细胞贫血症发生的根本原因是基因突变（2008·上海卷T7A）（√）

（3）非同源染色体自由组合，导致在减数分裂过程中发生基因重组（2009·福建卷T3B改编）（√）

（4）非姐妹染色单体的交叉互换可引起基因重组（2008·宁夏卷T5B）（√）

2．判断有关染色体变异叙述的正误。

（1）染色体片段的缺失和重复必然导致基因种类的变化（2011·海南卷T19C）（×）

（2）染色体片段的倒位和易位必然导致基因排列顺序的变化（2011·海南卷T19D）（√）

（3）低温可抑制染色体着丝点分裂，使子染色体不能分别移向两极（2010·福建卷T3A）（×）

（4）多倍体形成过程增加了非同源染色体重组的机会（2009·广东卷T7D）（×）

3．判断下图中发生的变异类型。

（2009·上海卷T22改编）

二、读图析图能力

据雌雄果蝇染色体图解回答下列问题。

（1）请写出果蝇一个染色体组的染色体组成。

答案：

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、X或Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Y。

（2）若染色体Ⅱ中DNA分子某碱基对G/C缺失或染色体Ⅱ中某一片段缺失，它们分别属于哪种变异类型？

答案：

基因突变，染色体结构变异（缺失）。

（3）若某一雌果蝇减数分裂形成的卵细胞染色体组成为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、X、X，这属于哪种变异类型？

答案：

染色体数目变异。

[理清脉络]

考点一|基因突变与基因重组

1．基因突变的原因分析

2．基因重组图的分析

3．基因突变与基因重组的比较

基因突变

基因重组

变异本质

基因分子结构发生改变

原有基因的重新组合

发生时间

通常在有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期

减数第一次分裂四分体时期和减数第一次分裂后期

适用范围

所有生物（包括病毒）

进行有性生殖的真核生物和基因工程中的原核生物

结果

产生新基因（等位基因），控制新性状

产生新基因型，不产生新基因

意义

是生物变异的根本来源，生物进化的原始材料

生物变异的重要来源，有利于生物进化

应用

人工诱变育种

杂交育种

联系

通过基因突变产生新基因，为基因重组提供了自由组合的新基因，基因突变是基因重组的基础

[典例1]　（2012·江苏高考）某植株的一条染色体发生缺失突变，获得该缺失染色体的花粉不育，缺失染色体上具有红色显性基因B，正常染色体上具有白色隐性基因b（见下图）。

如以该植株为父本，测交后代中部分表现为红色性状。

下列解释最合理的是（　　）

A．减数分裂时染色单体1或2上的基因b突变为B

B．减数第二次分裂时姐妹染色单体3与4自由分离

C．减数第二次分裂时非姐妹染色单体之间自由组合

D．减数第一次分裂时非姐妹染色单体之间交叉互换

[思维流程]

[解析]　从题中信息可知，突变植株为父本，减数分裂产生的雄配子为

和

，后者花粉不育。

正常情况下，测交后代表现型应都为白色性状，而题中已知测交后代中部分为红色性状，推知父本减数分裂过程中产生了含B基因的可育花粉，而产生这种花粉最可能的原因是减Ⅰ前期同源染色体联会时非姐妹染色单体之间发生了交叉互换，故D最符合题意。

[答案]　D

1．基因突变并非必然导致生物性状改变

（1）基因突变引起生物性状的改变：

碱基对

影响范围

对氨基酸序列的影响

替换

小

只改变1个氨基酸或不改变

增添

大

不影响插入位置前，但影响插入后的序列

缺失

大

不影响缺失位置前，但影响缺失后的序列

（2）基因突变未引起生物性状改变的原因：

①突变部位：

基因突变发生在基因的非编码区。

②密码子简并性：

若基因突变发生后，引起了mRNA上的密码子改变，但由于一种氨基酸可对应多个密码子，若该改变了的密码子与原密码子对应的是同一种氨基酸，此时突变基因控制的性状不改变。

③隐性突变：

若基因突变为隐性突变，如AA中其中一个A→a，此时性状也不改变。

2．基因突变不一定都产生等位基因

不同生物的基因组组成不同，病毒和原核细胞的基因组结构简单，基因数目少，而且一般是单个存在的，不存在等位基因。

因此，真核生物基因突变可产生它的等位基因，而原核生物和病毒基因突变产生的是一个新基因。

3．基因突变不一定都能遗传给后代

（1）基因突变发生在有丝分裂过程中，一般不遗传，但有些植物可能通过无性生殖传递给后代。

（2）如果发生在减数分裂过程中，可以通过配子传递给后代。

[针对练习]

高考命题常从以下角度设置陷阱

（1）已知基因突变的类型，推断生物性状改变的状况。

（2）已知氨基酸的密码子和蛋白质中氨基酸的排列顺序，确定基因突变的类型。

1．原核生物某基因原有213对碱基，现经过突变，成为210对碱基（未涉及终止密码子改变），它指导合成的蛋白质分子与原蛋白质相比，差异可能为（　　）

A．少一个氨基酸，氨基酸顺序不变

B．少一个氨基酸，氨基酸顺序改变

C．氨基酸数目不变，但顺序改变

D．A、B都有可能

解析：

选D　突变后少了三个碱基对，氨基酸数比原来少1个；若少的三个碱基对正好控制着原蛋白质的一个氨基酸，则少一个氨基酸，其余氨基酸顺序不变；若减少的三个碱基对正好对应着两个密码子中的碱基，则在减少一个氨基酸的基础上，缺失部位后氨基酸顺序也会改变；若减少的不是三个连续的碱基对，则对氨基酸的种类和顺序影响将更大。

2．（2010·福建高考）下图为人WNK4基因部分碱基序列及其编码蛋白质的部分氨基酸序列示意图。

已知WNK4基因发生一种突变，导致1169位赖氨酸变为谷氨酸。

该基因发生的突变是（　　）

A．①处插入碱基对G—C

B．②处碱基对A—T替换为G—C

C．③处缺失碱基对A—T

D．④处碱基对G—C替换为A—T

解析：

选B　根据图中1168位的甘氨酸的密码子GGG，可知WNK4基因是以其DNA分子下方的一条脱氧核苷酸链为模板转录形成mRNA的，那么1169位的赖氨酸的密码子是AAG，因此取代赖氨酸的谷氨酸的密码子最可能是GAG，由此可推知该基因发生的突变是②处碱基对A－T被替换为G－C。

由基因突变可联系的知识

（1）联系细胞分裂：

在细胞分裂间期，DNA复制时，DNA分子双链打开，脱氧核苷酸链极其不稳定，容易发生碱基对的变化。

（2）联系细胞癌变：

癌细胞就是原癌基因和抑癌基因发生基因突变所致。

（3）联系生物育种：

诱变育种就是利用基因突变的原理进行的。

（4）联系生物进化：

基因突变为生物进化提供原始材料。

考点二|通过对比分析，考查染色体变异

1．染色体组的组成特点

由上图可知，要构成一个染色体组应具备以下几条：

（1）一个染色体组中不含同源染色体。

（2）一个染色体组中所含的染色体在形态、大小和功能上各不相同。

（3）一个染色体组中含有控制本物种生物性状的一整套基因，但不能重复。

2．单倍体、二倍体和多倍体的比较

单倍体

二倍体

多倍体

发育来源

配子

受精卵

染色体组

1至多个

2

3个或3个以上

形成原因

自然成因

单性生殖

正常的有性生殖

外界环境条件剧变

人工诱导

花药离体培养

秋水仙素处理单倍体幼苗　

秋水仙素处理萌发的种子或幼苗

形成过程

有性生殖

特点

植株弱小，高度不育

正常可育

果实、种子较大，营养物质含量丰富，生长发育延迟，结实率低　

3．多倍体的产生原理

[典例2]　二倍体生物如果某一对同源染色体多出一条染色体，则称之为“三体”。

三体在减数第一次分裂联会时，3条同源染色体中的任意2条随意配对联会

正常分离，另1条同源染色体不能配对，随机地移向细胞的一极。

某基因型为AaBb的二倍体番茄（A、a位于5号染色体，B、b位于6号染色体），自交后代中出现一株基因型为AaBbb的三体（如图所示）。

下列关于此三体的描述不正确的是（　　）

A．可以确定该三体是其亲本减数第一次分裂时6号染色体出错，产生了ABb基因型配子而形成的

B．该三体减数分裂产生花粉的基因型为AB、Ab、Abb、ABb、aB、abb、ab、aBb，共8种

C．三体的出现丰富了生物的遗传多样性，但还不是一个新的物种

D．三体的形成属于染色体变异，可用显微镜观察其根尖细胞有丝分裂装片进行辨别

[解析]　亲本为二倍体，子代中出现三体，可能是精子或卵细胞形成过程出错，产生了基因型为ABb或aBb或Abb或abb的配子。

三体不是一个新的物种，其形成属于染色体变异中的染色体数目变异。

[答案]　A

染色体组数判断的三种方法

（1）根据染色体的形态判断：

细胞内同一形态的染色体共有几条，则该细胞中含有几个染色体组。

如图甲中与1号（或2号）相同的染色体共有4条，此细胞有4个染色体组。

（2）根据基因型判断：

控制同一性状的基因（读音相同的大、小写字母）出现几次，则含有几个染色体组。

如图乙中基因型为AaaaBbbb，任一种基因有4个，则该细胞中含有4个染色体组。

（3）根据染色体的数目和染色体的形态数来推算：

染色体组的数目＝染色体数/染色体形态数。

如雌果蝇体细胞中有8条染色体，分为4种形态，则染色体组的数目为2个。

与染色体变异有关的几个误区[动漫演示更形象　见课件光盘]

1．易混淆“易位”与“交叉互换”

染色体易位

交叉互换

图解

区别

发生于非同源染色体之间

发生于同源染色体的非姐妹染色单体间

属于染色体结构变异

属于基因重组

可在显微镜下观察到

在显微镜下观察不到

2．染色体的缺失、重复、倒位与基因突变的辨析

3．单倍体的体细胞中并非只有一个染色体组

因为大部分的生物是二倍体，所以有时认为单倍体的体细胞中只含有一个染色体组，但是多倍体的配子发育成的个体体细胞中含有不止一个染色体组。

4．单倍体育种与多倍体育种的操作对象不同

两种育种方式都出现了染色体加倍情况：

单倍体育种操作对象是单倍体幼苗，通过植物组织培养，得到的植株是纯合子；多倍体育种的操作对象是正常萌发的种子或幼苗。

5．单倍体并非都不育

二倍体的配子发育成的单倍体，表现为高度不育；多倍体的配子如含有偶数个染色体组，则发育成的单倍体含有同源染色体及等位基因，可育并能产生后代。

[针对练习]

高考命题常从以下角度设置陷阱

（1）以概念辨析为基础，考查单倍体的有关知识。

（2）以模式图为载体，判断生物变异的类型。

3．单倍体经一次秋水仙素处理，可得到（　　）

①一定是二倍体　②一定是多倍体　③二倍体或多倍体　④一定是杂合体　⑤含两个染色体组的个体可能是纯合体

A．①④　　　　　　　　B．②⑤

C．③⑤D．③④

解析：

选C　单倍体中不一定只含有一个染色体组，故秋水仙素处理后可得到二倍体或多倍体，可能是纯合体，也可能是杂合体。

4．（2014·西安五校一模）下图①、②、③、④分别表示不同的变异类型，其中图③中的基因2由基因1变异而来。

有关说法正确的是（　　）

A．图①②都表示易位，发生在减数分裂的四分体时期

B．图③中的变异属于染色体结构变异中的缺失

C．图④中的变异属于染色体结构变异中的缺失或重复

D．图中4种变异能够遗传的是①③

解析：

选C　图①表示交叉互换，发生在减数分裂的四分体时期，图②表示易位；图③中的变异属于基因突变中的碱基对的缺失；图④中，若染色体3正常，则染色体4发生染色体结构变异中的缺失，若染色体4正常，则染色体3发生染色体结构变异中的重复；图中4种变异原因都是遗传物质的改变，都能够遗传。

实验探究能力|低温诱导植物染色体数目的变化（考纲要求实验）

[课堂对点练]

题组一　基因突变和基因重组

1．（2011·上海高考改编）基因突变在生物进化中起重要作用，下列表述错误的是（　　）

A．A基因突变为a基因，a基因还可能再突变为A基因

B．A基因可突变为A1、A2、A3……，它们为一组复等位基因

C．基因突变大部分是有利的

D．基因突变可以改变种群的基因频率

解析：

选C　基因突变可以是显性突变，也可以是隐性突变，且可以是回复突变；基因突变的方向是不定向的，且基因突变产生的是其等位基因，故A基因可突变为A1、A2、A3……，它们为一组复等位基因；基因突变产生的性状对生物体来说大多是有害的，但基因突变对生物的进化是有利的，能为生物进化提供原材料。

2．（2013·海南高考）某二倍体植物染色体上的基因B2是由其等位基因B1突变而来的，如不考虑染色体变异，下列叙述错误的是（　　）

A．该突变可能是碱基对替换或碱基对插入造成的

B．基因B1和B2编码的蛋白质可以相同，也可以不同

C．基因B1和B2指导蛋白质合成时使用同一套遗传密码

D．基因B1和B2可同时存在于同一个体细胞中或同一个配子中

解析：

选D　新基因的产生依靠基因突变，基因突变包括碱基对的缺失、增添和替换；B1和B2基因的碱基排列顺序不同，其转录的mRNA碱基序列不同，但是由于密码子的简并性，其翻译合成蛋白质可能相同也可能不同；生物指导蛋白质合成的过程中，使用同一套密码子，这也是证明生物共同起源的有力证据；B1和B2为等位基因，存在于一对同源染色体上，故而可以存在于同一个体细胞中。

但是二倍体生物的配子中的遗传物质减半，不考虑染色体变异的情况下，配子中只含有一个染色体组，不可能含有两个等位基因，故B1和B2基因不可能存在于同一个配子中。

3．（2011·江苏高考）在有丝分裂和减数分裂的过程中均可产生的变异是（多选）（　　）

A．DNA复制时发生碱基对的增添、缺失或改变，导致基因突变

B．非同源染色体之间发生自由组合，导致基因重组

C．非同源染色体之间交换一部分片段，导致染色体结构变异

D．着丝点分裂后形成的两条染色体不能移向两极，导致染色体数目变异

解析：

选ACD　有丝分裂和减数分裂的过程中都有DNA的复制，在DNA复制的过程中可能发生基因突变；非同源染色体之间的自由组合只发生在减数分裂的过程中，故只有减数分裂过程中能发生基因重组；非同源染色体之间交换一部分片段在有丝分裂和减数分裂过程都可以发生，引起的变异为染色体结构变异中的易位，而同源染色体的非姐妹染色单体间交换部分片段则发生在减数分裂过程中，引起的变异为基因重组；在有丝分裂的后期或减数第二次分裂的后期，都可能发生着丝点分裂后染色体的分离异常，引起染色体数目的变异。

题组二　染色体变异

4．（2011·海南高考）关于植物染色体变异的叙述，正确的是（　　）

A．染色体组整倍性变化必然导致基因种类的增加

B．染色体组非整倍性变化必然导致新基因的产生

C．染色体片段的缺失和重复必然导致基因种类的变化

D．染色体片段的倒位和易位必然导致基因排列顺序的变化

解析：

选D　染色体组整倍性变化导致基因数量变化，不能导致基因种类增加；基因突变导致新基因的产生，染色体变异不能导致新基因产生；染色体片段的重复和缺失导致基因数量增加和减少，不能导致基因种类变化；染色体片段的倒位和易位必然导致基因排列顺序的变化。

5．（2013·山东高考）某二倍体植物宽叶（M）对窄叶（m）为显性，高茎（H）对矮茎（h）为显性，红花（R）对白花（r）为显性。

基因M、m与基因R、r在2号染色体上，基因H、h在4号染色体上。

（1）基因M、R编码各自蛋白质前3个氨基酸的DNA序列如图，起始密码子均为AUG。

若基因M的b链中箭头所指碱基C突变为A，其对应的密码子将由________变为________。

正常情况下，基因R在细胞中最多有________个，其转录时的模板位于________（填“a”或“b”）链中。

（2）用基因型为MMHH和mmhh的植株为亲本杂交获得F1，F1自交获得F2，F2中自交性状不分离植株所占的比例为________；用隐性亲本与F2中宽叶高茎植株测交，后代中宽叶高茎与窄叶矮茎植株的比例为________。

（3）基因型为Hh的植株减数分裂时，出现了一部分处于减数第二次分裂中期的Hh型细胞，最可能的原因是________________________。

缺失一条4号染色体的高茎植株减数分裂时，偶然出现一个HH型配子，最可能的原因是________________________________。

（4）现有一宽叶红花突变体，推测其体细胞内与该表现型相对应的基因组成为图甲、乙、丙中的一种，其他同源染色体数目及结构正常。

现只有各种缺失一条染色体的植株可供选择，请设计一步杂交实验，确定该突变体的基因组成是哪一种。

（注：

各型配子活力相同；控制某一性状的基因都缺失时，幼胚死亡）

实验步骤：

①_____________________________________________________________；

②观察、统计后代表现型及比例。

结果预测：

Ⅰ.若_______________________________________________________，

则为图甲所示的基因组成；

Ⅱ.若________________________________________________________________，

则为图乙所示的基因组成；

Ⅲ.若________________________________________________________________，

则为图丙所示的基因组成。

解析：

（1）由起始密码子（在mRNA上）为AUG可知，基因M和基因R转录的模板分别为b链和a链；对M基因来说，箭头处碱基C突变为A，对应的mRNA上则发生G→U的变化，所以对应的密码子由GUC变为UUC；正常情况下，二倍体植株基因成对出现，所以基因型为RR的植株在DNA复制后R基因最多，有4个。

（2）F1为双杂合子，这两对等位基因在非同源染色体上，符合孟德尔自由组合定律，F2中自交后代性状不分离的是纯合子，基因型分别为MMhh、MMHH、mmHH、mmhh，且每种纯合子均占F2的1/16，故F2中四种纯合子所占的比例为（1/16）×4＝1/4；F2中宽叶高茎植株的基因型及比例为MMHH∶MmHH∶MMHh∶MmHh＝1∶2∶2∶4，将其分别与mmhh测交，后代宽叶高茎∶窄叶矮茎＝4∶1。

（3）出现了一部分处于减数第二次分裂中期的Hh型细胞，可能的原因有基因突变或交叉互换，最可能的原因是减数分裂过程中联会时同源染色体的非姐妹染色单体间发生了交叉互换，形成了基因型为Hh的次级性母细胞；正常情况下，配子中应只含一个H基因，在只有一条4号染色体的情况下，出现一个HH型配子最可能的原因是减数第二次分裂时姐妹染色单体没有分离。

（4）检测植株的基因组成最简便的方法为自交，但是题干要求为杂交，故应选用测交方法来进行检测。

选择缺失一条2号染色体的窄叶白花植株进行测交，其结果如下：

　　　　　　　　　　　F1中宽叶红花∶宽叶白花＝1∶1

　　　　　　　　　　　F1中宽叶红花∶宽叶白花＝2∶1

　　　　　　　　　　　F1中宽叶红花∶宽叶白花＝2∶1

本题也可采取用该突变体与缺失一条2号染色体的窄叶红花植株杂交，分析同上。

答案：

（1）GUC　UUC　4　a　

（2）1/4　4∶1　（3）（减数第一次分裂时）交叉互换　减数第二次分裂时染色体未分离

（4）答案一：

①用该突变体与缺失一条2号染色体的窄叶白花植株杂交

②Ⅰ.宽叶红花与宽叶白花植株的比例为1∶1

Ⅱ.宽叶红花与宽叶白花植株的比例为2∶1

Ⅲ.宽叶红花与窄叶白花植株的比例为2∶1

答案二：

①用该突变体与缺失一条2号染色体的窄叶红花植株杂交

②Ⅰ.宽叶红花与宽叶白花植株的比例为3∶1

Ⅱ.后代全部为宽叶红花植株

Ⅲ.宽叶红花与窄叶红花植株的比例为2∶1

[课下提能练]

一、选择题

1．（2014·淮北一检）下列关于变异的叙述，不正确的是（　　）

A．基因突变不一定改变生物的表现型

B．基因重组是生物变异的根本来源，一般发生在有性生殖的过程中

C．体细胞中含有两个染色体组的个体不一定是二倍体

D．染色体的结构和数目发生改变都属于染色体变异

解析：

选B　由于密码子具有简并性，故生物基因出现突变，其性状也不一定改变；基因突变是生物变异的根本来源，基因重组是生物变异的重要来源；同源四倍体通过花药离体培养，形成的个体含两个染色体组，是单倍体而不是二倍体；染色体变异包括染色体的结构变异和染色体的数目变异。

2．下列关于基因重组的说法不正确的是（　　）

A．生物体进行有性生殖过程中控制不同性状基因的重新组合属于基因重组

B．减数分裂四分体时期，同源染色体的姐妹染色单体之间的局部交换可导致基因重组

C．减数分裂过程中，非同源染色体上的非等位基因自由组合可导致基因重组

D．一般情况下，水稻花药内可发生基因重组，而根尖则不能

解析：

选B　减数分裂四分体时期，同源染色体的非姐妹染色单体之间的局部交换可导致基因重组；一般情况下，水稻花药内形成花粉的过程中会发生基因重组，而根尖不会出现基因重组。

3．下列有关生物知识的叙述中，正确的说法有几项（　　）

①自然条件下，基因重组通常发生在生殖细胞的形成过程中　②非同源染色体上某片段的移接，仅发生在减数分裂过程中　③同卵双生兄弟间的性状差异是基因重组导致的　④基因中一个碱基对发生改变，则生物的性状一定发生改变　⑤在镜检某基因型为AaBb的父本细胞时，发现其基因型变为AaB，此种变异为基因突变

A．1项　　　　　B．2项

C．3项D．4项

解析：

选A　自然条件下，基因重组通常发生在减数第一次分裂的前期和后期，即生殖细胞的形成过程中，①正确；非同源染色体上某片段的移接，可发生在有丝分裂或减数分裂过程中，②错误；同卵双生兄弟的性状差异不可能是基因重组导致的，可能是基因突变导致的，③错误；基因突变后生物的性状不一定发生改变，④错误；基因型由AaBb变为AaB，此种变异为染色体变异，⑤错误。

4．果蝇某染色体上的DNA分子中一个脱氧核苷酸发生了改变，其结果可能是（　　）

A．变成其等位基因

B．DNA分子内部的碱基配对方式改变

C．此染色体的结构发生改变

D．此染色体上基因的数目和排列顺序改变

解析：

选A　DNA分子中发生碱基对（脱氧核苷酸对）的替换、增添和缺失引起的基因结构的改变叫基因突变，可产生原基因的等位基因。

5．（2014·苏北四市调研）如下图所示，图1、图2表示