优化方案版高考生物大一轮复习 第七单元 生物变异育种和进化 第24讲 从杂交育种到基因工程讲义.docx

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优化方案版高考生物大一轮复习第七单元生物变异育种和进化第24讲从杂交育种到基因工程讲义

第24讲　从杂交育种到基因工程

　1.生物变异在育种上的应用（Ⅱ）　2.转基因食品的安全（Ⅰ）

　　　　　　[学生用书P168]）

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，再经过选择和培育，获得新品种的方法。

（2）原理：

基因重组。

（3）过程：

选择具有不同优良性状的亲本→杂交，获得F1→F1自交→获得F2→鉴别、选择需要的类型。

（4）优点：

可以把多个品种的优良性状集中在一起。

（5）缺点：

获得新品种的周期长。

（6）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，使生物发生基因突变，从而获得优良变异类型的育种方法。

（2）原理：

基因突变。

（3）过程：

选择生物→诱发基因突变→选择理想类型→培育。

（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。

（6）应用：

培育具有新性状的品种。

　诱变育种与杂交育种相比，最大的区别是什么？

提示：

二者最大的区别在于诱变育种能创造出新基因。

二、基因工程

1．概念：

基因工程又叫基因拼接技术或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，定向地改造生物的遗传性状。

2．原理：

不同生物间的基因重组。

3.

4．操作步骤

提取目的基因→目的基因与运载体结合→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定

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，如抗虫棉等。

（2）药物研制：

利用基因工程的方法，培育转基因生物，利用转基因生物生产出各种高质量、低成本的药品，如胰岛素、干扰素、乙肝疫苗等。

[解惑]）　

（1）DNA连接酶和DNA聚合酶都可形成磷酸二酯键。

（2）操作工具有三种，但工具酶只有两种——限制酶和DNA连接酶，另一种工具——运载体的化学本质为DNA。

1．（必修2P101基础题T3改编）利用60Co可进行诱变育种，有关说法错误的是（　　）

A．利用60Co放出的γ射线照射种子时一般不选用干种子

B．若处理后的种子萌发后不具备新性状，即可抛弃

C．处理后只有少部分种子将发生基因突变

D．产生的新性状大多对生产不利

答案：

B

2．思维诊断

（1）判断下列有关生物育种的叙述

①在诱变育种和杂交育种过程中均可产生新的基因和新的基因型。

（×）

②太空育种能按人的意愿定向产生所需优良性状。

（×）

③培育无子西瓜是利用基因重组的原理。

（×）

④若用AAbb和aaBB的植株培育出AABB的植株至少需用3年的时间。

（×）

⑤花药离体培养可获得抗锈病高产小麦新品种。

（×）

（2）判断下列有关基因工程的叙述

①在所有的基因工程步骤中都涉及碱基互补配对。

（×）

②没有限制酶就无法使用质粒运载体。

（√）

③我国已经对转基因食品和转基因农产品强制实施了产品标识制度。

（√）

④重组质粒中每个限制酶识别位点至少插入一个目的基因。

（×）

⑤自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上属于基因工程。

（×）

考点一　以变异为基础，考查生物育种[学生用书P169]

1．五种育种方法的比较

杂交育种

诱变育种

单倍体育种

多倍体育种

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

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

育种程序

甲品种×乙品种

↓

F1

↓⊗

F2

人工选育↓⊗

性状稳定遗传的新品种

生物

新品种

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

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

（1）只适用于植物；

（2）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

2.育种方式的选择

（1）根据育种目的和提供的材料选择合适的育种方法

①集中不同亲本的优良性状：

a.一般情况下，选择杂交育种，这也是最简捷的方法；b.需要缩短育种年限（快速育种）时，选择单倍体育种。

②培育果实较大或植株较大或营养物质含量较高的新物种——多倍体育种。

③提高变异频率，“改良”“改造”或“直接改变”现有性状，获得当前不存在的基因或性状——诱变育种。

④若要培育隐性性状个体，可选择自交或杂交育种，只要出现该性状即可。

⑤实现定向改变现有性状——基因工程育种。

⑥若培育的植物的生殖方式为营养繁殖（如马铃薯），则不需要培育成纯种，只要出现该性状即可。

（2）根据育种流程图来辨别育种方式

①杂交育种：

涉及亲本的杂交和子代的自交。

②诱变育种：

涉及诱变因素，产生的子代中会出现新的基因，但基因的总数不变。

③单倍体育种：

常用方法为花药离体培养，然后人工诱导染色体数目加倍，形成纯合子。

④多倍体育种：

用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗。

⑤基因工程育种：

与原有生物相比，出现了新的基因。

（2016·山东实验中学期中）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：

请分析回答：

（1）A组由F1获得F2的方法是__________，F2矮秆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________。

[解析]　本题侧重于对诱变育种、杂交育种和单倍体育种的比较。

（1）杂交育种是具有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，若是显性性状还需连续自交直至不发生性状分离为止。

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（或低温）处理单倍体幼苗，诱导染色体数目加倍，得到的个体一定是纯合子。

[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）诱导染色体数目加倍　100%

1.欲利用TTrr和ttRR的亲代个体选育出双隐性状的优良植株个体如何培育？

大约需几年？

___________________________

2.下列哪些过程属于单倍体育种？

需经几年完成？

每一年完成哪些过程？

_____________________________

提示：

1.两亲本个体杂交，只要在F2中出现该性状即可。

3年。

2．①②③④。

2年。

第一年完成过程①，第二年完成过程②③④。

模型法分析育种过程

1．育种程序图的识别

（1）首先要识别图解中各字母表示的处理方法：

A——杂交，D——自交，B——花药离体培养，C——秋水仙素处理，E——诱变处理，F——秋水仙素处理，G——转基因技术，H——脱分化，I——再分化，J——包裹人工种皮。

这是识别各种育种方法的主要依据。

（2）根据以上分析可以判断：

“亲本

新品种”为杂交育种，“亲本

新品种”为单倍体育种，“种子或幼苗

新品种”为诱变育种，“种子或幼苗

新品种”为多倍体育种，“植物细胞

新细胞

愈伤组织

胚状体

人工种子―→新品种”为基因工程育种。

2．基于个体基因型的育种图解识别

根据基因型的变化可以判断：

“aabb×AABB→AaBb→AAbb”为杂交育种，“aabb×AABB→AaBb→Ab→AAbb”为单倍体育种，“AABB→AaBB”为诱变育种，“aabb×AABB→AaBb→AAaaBBbb”为多倍体育种。

　　　　　　植物育种

1．（2016·广东中山二模）如图为利用玉米（基因型为BbTt）进行实验的流程示意图。

下列分析正确的是（　　）

A．T与B、b的自由组合发生在①过程

B．植株B为纯合子的概率为1/4

C．①③过程为单倍体育种

D．⑤过程可发生基因突变、染色体变异

解析：

选D。

选项A，自由组合发生在减数分裂过程中，即非同源染色体上的非等位基因自由组合，而据植株D只有3种基因型可判断，这两对等位基因位于同一对同源染色体上，不可能发生T与B、b的自由组合，A错误；选项B，植株B是通过单倍体育种获得的，都是纯合子，因此概率为1，B错误；选项C，①③过程获得的是单倍体幼苗，而单倍体育种过程还包括利用秋水仙素处理获得植株B的过程，C错误；选项D，将幼苗培育成植株C的过程中只存在有丝分裂，可能发生基因突变，还可能发生染色体数目或者结构的改变，即染色体变异，D正确。

2．（2016·安徽宿州一模）如图表示利用某种农作物品种①和②培育出⑥的几种方法，据图分析错误的是（　　）

A．过程Ⅵ是用秋水仙素处理正在萌发的种子

B．培育品种⑥的最简捷的途径是Ⅰ→Ⅴ

C．通过Ⅲ→Ⅵ过程育种的原理是染色体变异

D．通过Ⅱ→Ⅳ过程育种最不容易达到目的

解析：

选A。

⑤ab为单倍体，没有种子，过程Ⅵ是用秋水仙素处理幼苗，A错误；Ⅰ→Ⅴ为杂交育种，培育品种⑥的最简捷的途径是杂交育种，B正确；Ⅲ→Ⅵ过程为单倍体育种，其育种的原理是染色体变异，C正确；Ⅱ→Ⅳ过程为诱变育种，最不容易达到目的，D正确。

误区1　误认为杂交育种一定需要连续自交

[点拨]　若选育显性优良纯种，需要连续自交筛选；若选育隐性优良纯种，则只要出现该性状个体即可。

误区2　混淆“最简便”与“最快速”

[点拨]　“最简便”应为“易操作”，“最快速”则未必简便，如用单倍体育种获得有显性性状的纯合子，可明显缩短育种年限，但其技术含量却较高。

误区3　误认为花药离体培养就是单倍体育种

[点拨]　

单倍体育种主要包括杂交、花药离体培养、秋水仙素处理和筛选四个过程。

　　　　　　微生物育种

3．（2014·高考江苏卷）下图是高产糖化酶菌株的育种过程，有关叙述错误的是（　　）

出发菌株

选出50株

选出5株

多轮重复筛选

A．通过上图筛选过程获得的高产菌株未必能作为生产菌株

B．X射线处理既可以引起基因突变也可能导致染色体变异

C．上图筛选高产菌株的过程是定向选择过程

D．每轮诱变相关基因的突变率都会明显提高

解析：

选D。

A项，图示育种过程为诱变育种，因未进行酶活性检测等，故该过程获得的高产菌株不一定符合生产要求。

B项，X射线等物理因素既可能引起基因突变，也可能引起染色体变异。

C项，筛选高产菌株的过程是定向选择符合人类特定需求的菌株的过程，属于人工选择。

D项，人工诱变的突变率高于自发突变，但不一定每轮诱变都是与高产相关的基因发生突变。

（1）诱变育种：

多用于植物和微生物。

原核生物不能进行减数分裂，所以不能运用杂交的方法进行育种，如细菌的育种一般采用的方法是诱变育种。

（2）植物杂交育种中纯合子的获得一般通过逐代自交的方法；而动物杂交育种中纯合子的获得一般通过双亲杂交获得F1，F1雌雄个体间交配，选F2与异性隐性纯合子测交的方法。

考点二　利用图解法突破基因工程的操作工具及基本步骤[学生用书P172]

基因工程操作步骤图解

（1）限制酶和DNA连接酶的作用部位都是脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，只是前者切开，后者连接。

（2）要想从DNA上切下某个基因，应切2个切口，产生4个黏性末端。

（3）获取目的基因、切割运载体需要用同一种限制酶，目的是产生相同的黏性末端。

（4）动物一般用受精卵作为受体细胞；植物一般用体细胞作为受体细胞，再通过植物组织培养方式形成新个体；微生物常用不致病的大肠杆菌作为受体细胞。

（2016·山东青岛市统考）下图表示利用基因工程培育抗虫棉过程的示意图[已知甲硫氨酸（AUG）、甘氨酸（GGA）、丝氨酸（UCU）、酪氨酸（UAC）、精氨酸（AGA）、丙氨酸（GCU）]，正确的组合是（　　）

①[①]操作要用不同限制性核酸内切酶分别切割运载体和目的基因

②形成的重组DNA分子有标记基因，可特异性的表达某一性状

③[③]操作用到的技术是植物组织培养

④由于发生性状分离抗虫棉植株后代种子可能不具有抗虫特性

⑤根据密码子表可知图中合成的前三个氨基酸为甲硫氨酸、丙氨酸、丝氨酸

A．①②③④⑤　　　　　　　　B．②③④⑤

C．①②④⑤D．①②③④

[解析]　基因表达载体的构建要用同一种限制酶切割运载体和目的基因；运载体有标记基因，便于筛选；抗虫棉植株自交后代会发生性状分离。

[答案]　B

1．基因工程操作过程中只有第三步将目的基因导入受体细胞不涉及碱基互补配对。

2．目的基因插入位点不是随意的，基因表达需要启动子与终止子的调控，所以目的基因应插入到启动子与终止子之间的部位。

1．（2016·河北廊坊市高三质检）关于基因工程的叙述，正确的是（　　）

A．限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用部位相同，都是氢键

B．质粒是基因工程中常用的运载体，一般属于核基因的组成

C．通过基因工程制备转基因植物，可以选叶肉细胞作为基因工程的受体细胞

D．人体胰岛素基因通过基因工程技术转入大肠杆菌以后，传递和表达不再遵循中心法则

解析：

选C。

限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键，A项错误。

基因工程中常用的运载体是质粒，质粒存在于细菌和真菌细胞中，是一种独立于DNA而能自主复制的环状DNA分子，所以质粒不属于核基因，B项错误。

植物体细胞具有全能性，所以可以选择叶肉细胞作为基因工程的受体细胞，C项正确。

人的胰岛素基因在大肠杆菌体内表达时，遗传信息的传递和表达仍遵循中心法则，D项错误。

2．（2016·安徽江南十校联考）某致病基因b与其正常基因B中的某一特定序列，经限制酶A切割后产生的片段如图1（bp表示碱基对），据此可进行基因诊断；图2为某家庭有关该病的遗传系谱图。

下列分析不正确的是（　　）

A．图2中Ⅱ1的基因型为bb，其致病基因来自双亲

B．图2中Ⅰ2基因诊断会出现142bp、99bp、43bp三个片段

C．图1中限制酶A的作用结果能体现酶的专一性特点

D．对家庭成员进行基因诊断还可用DNA分子杂交技术

解析：

选A。

根据图2只能判断该遗传病为隐性遗传病，但无法判断致病基因位于常染色体上还是性染色体上，如果是伴性遗传，则致病基因来自其母亲，所以A错误。

无论是常染色体隐性遗传还是伴X染色体隐性遗传，Ⅰ2一定有致病基因b，所以用限制酶处理后能得到142bp、99bp、43bp三个片段，B正确。

图1中限制酶A只能识别并切割B而不能切割b，说明该限制酶具有专一性，C正确。

对该遗传病除了图1中的用限制酶A处理的方法外，还可以通过DNA分子杂交技术进行诊断，D正确。

　　　　　　　[学生用书P173]）

[核心体系构建]

[填充]　①诱变育种　②单倍体育种　③多倍体育种　④基因重组　⑤基因突变　⑥染色体变异　⑦染色体变异　⑧限制酶　⑨DNA连接酶　⑩提取目的基因→目的基因与运载体结合→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定

[规范答题必备]

1．杂交育种的两个特点

（1）能将多个优良性状集中到同一生物个体上。

（2）耗时较长。

2．诱变育种的方法和特点

（1）两种诱变方法：

物理诱变、化学诱变。

（2）两个特点：

多害少利；能产生新基因，创造生物新类型。

3．基因工程的三种工具

（1）限制性核酸内切酶：

能识别并切割特定的核苷酸序列。

（2）DNA连接酶：

连接两个DNA片段之间的脱氧核糖和磷酸。

（3）运载体：

将外源基因导入受体细胞。

常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。

　　　　　　　[学生用书P173]）

1．（2016·太原测评）下列关于单倍体育种的叙述，正确的是（　　）

A．单倍体育种的最终目标是获得单倍体植株

B．花药离体培养可以获得单倍体植株

C．花药离体培养获得的植株细胞中只含一个染色体组

D．单倍体育种相对杂交育种的优势是更易得到隐性纯合子

解析：

选B。

单倍体育种的最终目标是获得纯合的二倍体或多倍体植株；单倍体植株的获得常用花药离体培养；花药离体培养获得单倍体植株，其细胞内可能含一个或多个染色体组；隐性性状能稳定遗传，而显性性状有纯合子和杂合子之分，单倍体育种相对杂交育种的优势是更易得到显性纯合子。

2．（2016·湖北八校联考）如图为白色棉N的培育过程，下列相关叙述正确的是（　　）

A．太空育种的优点是突变率高、目的性强

B．图中改变基因数量的过程是“处理”这一步

C．粉红棉M自交产生的后代中不可能出现深红棉

D．题图涉及基因多样性和物种多样性

解析：

选B。

太空育种的优点是突变率高，但其原理是基因突变，具有不定向性，因此，目的性不强；图中“处理”这一步涉及的变异是染色体结构变异——缺失，导致基因数量减少；粉红棉M自交产生的后代的表现型及比例为1/4深红棉S、1/2粉红棉M、1/4白色棉N；题图中的4种棉仍属于同一物种，因此，题图只涉及基因多样性，没有涉及物种多样性。

3．现有小麦种质资源包括：

①高产、感病；②低产、抗病；③高产、晚熟等品种。

为满足不同地区及不同环境条件下的栽培需求，育种专家要培育3类品种：

a.高产、抗病；b.高产、早熟；c.高产、抗旱。

下述说法错误的是（　　）

A．利用①③品种间杂交筛选不能获得a

B．对产品③进行染色体数目加倍处理筛选获得b

C．a、b和c的培育均可采用诱变育种方法

D．用转基因技术将外源抗旱基因导入③中获得c

解析：

选B。

欲获得高产、抗病类型，应利用①和②品种进行杂交筛选，因为品种①中有高产基因，品种②中有抗病基因，A项正确；染色体数目加倍后获得的多倍体植株结实率降低，欲获得高产、早熟品种，可对品种③进行诱变育种，B项错误；诱变育种可以产生新基因，因此a、b、c都可以通过诱变育种获得，C项正确；基因工程可定向改造生物的遗传特性，可通过基因工程将抗旱基因导入品种③中获得c，D项正确。

4．（2015·高考浙江卷，32）某自花且闭花授粉植物，抗病性和茎的高度是独立遗传的性状。

抗病和感病由基因R和r控制，抗病为显性；茎的高度由两对独立遗传的基因（D、d，E、e）控制，同时含有D和E表现为矮茎，只含有D或E表现为中茎，其他表现为高茎。

现有感病矮茎和抗病高茎两品种的纯合种子，欲培育纯合的抗病矮茎品种。

请回答：

（1）自然状态下该植物一般都是________合子。

（2）若采用诱变育种，在γ射线处理时，需要处理大量种子，其原因是基因突变具有________________________________________________________________________

和有害性这三个特点。

（3）若采用杂交育种，可通过将上述两个亲本杂交，在F2等分离世代中________抗病矮茎个体，再经连续自交等________手段，最后得到稳定遗传的抗病矮茎品种。

据此推测，一般情况下，控制性状的基因数越多，其育种过程所需的________。

若只考虑茎的高度，亲本杂交所得的F1在自然状态下繁殖，则理论上F2的表现型及其比例为________________________________________________________________________。

（4）若采用单倍体育种，该过程涉及的原理有________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

请用遗传图解表示其过程（说明：

选育结果只需写出所选育品种的基因型、表现型及其比例）。

解析：

（1）杂合子连续自交，后代纯合子比例逐渐增加，杂合子比例逐渐减小。

因此，自然状态下闭花授粉（连续自交）的植物一般都是纯合子。

（2）基因突变有随机性、低频性和有害性等特点，这决定了诱变育种需处理大量的材料。

（3）杂交育种一般通过杂交、选择、纯合化手段培育新品种，控制性状的基因数越多，通过自交进行纯合化的时间会越长。

根据题干信息可知，两个亲本感病矮茎和抗病高茎的基因型分别为rrDDEE和RRddee,若只考虑茎的高度，杂交得到的F1的基因型为DdEe，则F1自交后代F2有3种表现型：

矮茎、中茎、高茎，其比例为9（D_E_）∶6（3D_ee、3ddE_）∶1（1ddee）。

（4）单倍体育种的过程包括花药离体培养和染色体加倍两个过程，其中涉及基因重组、染色体变异等原理。

单倍体育种的遗传图解见答案。

答案：

（1）纯　

（2）随机性、低频性　（3）选择　纯合化　年限越长　高茎∶中茎∶矮茎＝1∶6∶9

（4）基因重组和染色体变异

5．（2014·高考新课标全国卷Ⅰ，32）现有两个纯合的某作物品种：

抗病高秆（易倒伏）和感病矮秆（抗倒伏）品种，已知抗病对感病为显性，高秆对矮秆为显性，但对于控制这两对相对性状的基因所知甚少。

回答下列问题：

（1）在育种实践中，若利用这两个品种进行杂交育种，一般来说，育种目的是获得具有________优良性状的新品种。

（2）杂交育种前，为了确定F2代的种植规模，需要正确预测杂交结果。

若按照孟德尔遗传定律来预测杂交结果，需要满足3个条件：

条件之一是抗病与感病这对相对性状受一对等位基因控制，且符合分离定律；其余两个条件是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）为了确定控制上述这两对性状的基因是否满足上述3个条件，可用测交实验来进行检验。

请简要写出该测交实验的过程。

解析：

（1）杂交育种能将两个或多个品种的优良性状通过杂交集中在一起，抗病与矮秆（抗倒伏）为优良性状。

（2）杂交育种依据的原理是