从杂交育种到基因工程

从杂交育种到基因工程第1页/共87页

每种生物都有不少性状，这些性状有的是优良性状，有的是不良性状，而且不同的优良性状存在于不同的品种中。设想如果能想办法去掉不良性状，让优良性状集于一身，创造出自然条件下没有的新性状组合，突破选择育种的局限，培育出具有优良性状组合的新品种。第2页/共87页小麦高秆（D）对矮秆（d）为显性，抗锈病（T）对不抗锈病（t）为显性，现有纯合的高秆抗锈病的小麦（DDTT）和矮秆不抗锈病的小麦（ddtt），如果你是袁隆平，怎样才能得到矮秆抗病的优良品种（ddTT）？想一想：植物杂交育种的方法锈病第3页/共87页以下是杂交的育种参考方案：Ｐ高抗矮不抗Ｆ１

高抗Ｆ２DDTTddttDdTtddTt高抗高不抗矮抗矮不抗D_T_D_ttddttddTT矮抗ddTTddTt矮抗ddTT矮抗矮抗矮不抗ddTtddTT杂交自交选优自交F3选优思考：要培育出一个能稳定遗传的植物品种至少要几年？第一年第二年选优第三年第四年第4页/共87页试一试：动物的杂交育种方法假设现有长毛立耳猫（BBEE）和短毛折耳猫（bbee），你能否培育出能稳定遗传的长毛折耳猫（BBee）？写出育种方案（图解）长毛折耳猫长毛立耳猫短毛折耳猫第5页/共87页长毛立耳短毛折耳BBEEbbee长毛立耳BbEe长毛立耳BbEe长立长折短立短折BbeeBBeeBBeeBbeebbeebbee长折短折长折长折短折杂交F1间交配选优测交ＰＦ１Ｆ２F3长折短折第6页/共87页！注意1、动物杂交育种中纯合子的获得不用通过逐代自交，可改为测交。2、比植物杂交育种所需年限短。第7页/共87页杂交育种

杂交育种是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。1.概念：2.原理：基因重组第8页/共87页3、常用的方法是什么？4、杂交育种有什么优点？将不同个体的优良性状集中到一个个体上杂交F1间相互交配选种测交

动物杂交自交选种自交

选种

植物第9页/共87页(1)在农业生产中：改良作物品质，提高农作物单位面积产量杂交水稻：从1976年到2006年，累计增产粮食5200多亿公斤，平均每年解决600万人的粮食问题。5、我国在杂交育种方面的成就?第10页/共87页ⅹ荷斯坦牛中国黄牛

中国荷斯坦牛荷斯坦牛与我国黄牛杂交选育后逐渐形成的优良种。泌乳期可达30天，年产乳量可达6300kg以上。中国荷斯坦牛（2）在家畜、家禽育种中的应用第11页/共87页杂种优势杂种优势是生物界普遍存在的现象。

指基因型不同的亲本个体相互杂交产生的杂种第一代，在生长势、生活力、繁殖力、抗逆性、产量和品质等一种或多种性状上优于两个亲本的现象。Eg.骡（体力强大，耐力好）

第12页/共87页在植物杂交育种的过程中运用单倍体育种的方法可以显著缩短育种进程。P高杆抗病

DDTT×矮杆感病

ddttF1高杆抗病

DdTt↓第1年↓×选育出需要的矮抗品种F2D_T_D_ttddT_ddtt矮抗杂交育种第2年第3年×生长ddTTF3减数分裂配子DTDtdTdt单倍体DTDtdTdt↓花药离体培养↓秋水仙素第1年第2年第4年单倍体育种DDttddTTddtt纯合体DDTT矮抗↓×第13页/共87页杂交育种只能利用已有的基因重组，按需选择，并不能创造新的基因。杂交后代会出现性状分离现象，育种进程缓慢，过程繁琐杂交育种不能创造新的基因，并且所需时间要长，那有没有能出现意想不到的结果，并且需要时间相对要短的育种方法呢？第14页/共87页诱变育种

利用物理因素（如X射线，紫外线，激光等）或化学因素（如亚硝酸等）处理生物，使生物发生基因突变。基因突变1、概念：2、原理：第15页/共87页

能提高突变率，产生新基因和新的性状，加速育种进程。在较短时间内获得更多的符合人类需要的优良变异类型。3、方法：4、优点：物理、化学方法处理生物，再选择符合要求的变异类型（辐射诱变、激光诱变、作物空间技术育种）第16页/共87页“黑农五号”大豆

黑龙江农科院用辐射方法处理大豆，培育成“黑农五号”大豆品种，含油量比原来的品种提高了2.5%，大豆产量提高了16%。5.应用农作物新品种的培育第17页/共87页青霉菌高产菌株的选育1943年从自然界分离出来的青霉菌只能产生青霉素20单位/mL。后来人们对青霉菌多次进行X射线、紫外线照射以及综合处理，培育成了青霉素高产菌株，目前青霉素的产量已达到50000～60000单位/mL。微生物育种第18页/共87页“神七”搭载的太空种子第19页/共87页奇怪的“太空椒”长相奇特的南瓜

航天诱变育种是利用太空的物理环境作为诱变因子，太空环境条件很复杂，与地球表面主要差异是微重力（10－3克～10－6克）、宇宙射线、重粒子、变化磁场和高真空等，这些物理条件的综合作用使生物产生基因突变。据统计，航天育种变异率达4％以上。第20页/共87页诱变育种的优点是能够提高突变率，在较短的时间内获得更多的优良变异类型。诱变育种的局限性是诱发突变的方向难以掌握，突变体难以集中多个理想性状。要想克服这些局限性，可以扩大诱变后代的群体，增加选择的机会。第21页/共87页选择育种杂交育种诱变育种特点：在自然产生的变异中选择局限：不能把位于两个品种的优良性状集于一身主要优点：有目的地把位于两个品种的优良性状集于一身局限：不能产生新的基因主要优点：能产生新基因局限：该方法具有一定的盲目性均不能实行种间的基因交流第22页/共87页

育种技术的不断完善与发展的动力和原因是超越已有技术的局限性。育种学家将如何突破“不能实行种间的基因交流”这一育种技术的局限呢？第23页/共87页基因工程：又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。通俗的说，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。原理：操作水平：结果：基因工程目的基因供体细胞受体细胞基因重组DNA分子水平定向地改造生物的遗传性状，获得人类所需要的品种。获得新性状第24页/共87页第25页/共87页基因工程的应用植物基因工程动物基因工程微生物基因工程环境保护其他应用第26页/共87页抗虫棉叶子正常棉叶子1.抗虫转基因植物植物基因工程第27页/共87页2.抗病转基因植物抗烟草花叶病毒转基因甜椒抗病毒转基因西葫芦第28页/共87页3.其他抗逆转基因植物耐寒、耐旱转基因水稻第29页/共87页4.利用转基因改良植物的品质含大量维生素的转基因玉米抗癌抗衰老的紫色西红柿第30页/共87页转入维生素A合成酶基因的大米第31页/共87页转基因矮牵牛转基因蓝玫瑰第32页/共87页1.用于提高动物生长速度动物基因工程转入外源生长激素基因的“超级小鼠”

第33页/共87页2.用转基因的动物生产药物人治疗性抗体转基因奶牛第34页/共87页乳腺生物反应器生产抗凝血酶Ⅲ蛋白第35页/共87页3.用于改善畜产品的品质“乳糖不耐症”乳糖含量低的奶牛：将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组第36页/共87页4.用转基因的动物作器官移植的供体导入人基因具特殊用途的猪和小鼠第37页/共87页基因工程药品——微生物制药基因工程肝炎疫苗基因工程干扰素基因工程艾滋病疫苗第38页/共87页基因工程药物发酵设备第39页/共87页

基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。环境保护

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利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。环境检测：用DNA探针检测水中病毒的含量第41页/共87页其他基因诊断：如用基因探针检测肝类病毒、诊断遗传病基因治疗：把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。第42页/共87页传统疫苗存在许多缺点：生产过程需大量繁殖病原体，对工作人员健康造成很大威胁；病原体的减毒、灭活有可能不够彻底，导致接种者直接感染。基因工程疫苗：将起关键作用的、序列保守的蛋白质基因重组到细菌或真核细胞内，生产蛋白质，制作成疫苗。它不使用病原体本身，所以安全，还可以把不同病原体的抗原基因重组到同一受体细胞，生产多价疫苗。基因工程药品——基因工程疫苗第43页/共87页

胰岛素是治疗糖尿病的特效药。一般临床上使用的胰岛素主要从猪、牛等家畜的胰腺中提取，一名糖尿病患者每年需用的胰岛素需要从40头牛或50头猪的胰脏中才能提取到。1978年，科学家将动物体内的胰岛素基因与大肠杆菌DNA分子重组，用2000ml大肠杆菌发酵液得到100kg胰岛素。1982年，美国一家基因公司用基因工程方法生产的胰岛素投入市场，售价降低了30%~50%。基因工程药品——胰岛素第44页/共87页

治疗侏儒症的唯一方法，是向人体注射生长激素。而生长激素的获得很困难。治疗一名侏儒症患者每年需要从80具尸体的脑下垂体中提取生长激素。现可利用基因工程方法，将人的生长激素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。人们从450L大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于6万具尸体的全部产量。基因工程药品——生长激素第45页/共87页

干扰素是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白。干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染，是一种抗病毒的特效药。此外干扰素对治疗某些癌症和白血病也有一定疗效。传统的干扰素生产方法是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取出1mg干扰素。1980~1982年，科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，是传统的生产量的12万倍。1987年上述干扰素大量投放市场。基因工程药品——干扰素第46页/共87页1、基因的指“

限制性核酸内切酶

”一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列,并在特定切点切割特点:“”这个特点说明了：酶具有专一性工具第47页/共87页限制性内切酶（EcoRⅠ）作用过程点击播放第48页/共87页2：基因工程的指“DNA连接酶”“

”

作用：连接“梯子”断口的“扶手”而非“梯子”中间的“踏板”。其作用与限制性内切酶相反，作用点相同工具第49页/共87页DNA连接酶的作用过程点击播放第50页/共87页3、基因工程的目的基因A、常用的运载体：质粒、噬菌体和动、植物病毒等工具第51页/共87页

标记基因，便于进行检测。

其中质粒存在于许多细菌和酵母菌等生物中,是拟核或细胞核外能够自主复制的很小的环状DNA分子.

B、它们的共同特点是：都有侵染或进入宿主细胞的能力第52页/共87页培育转基因大肠杆菌的关键步骤：1.ONE胰岛素基因从人体细胞内提取出来2.TWO胰岛素基因与运载体DNA连接3.THREE胰岛素基因导入受体(大肠杆菌)细胞基因的“剪刀”基因的“针线”基因的运载体第53页/共87页第一步：基因工程基本步骤：第二步：获取目的基因目的基因与运载体结合第三步：将目的基因导入受体细胞第四步:目的基因的检测与鉴定第54页/共87页1、获取目的基因第55页/共87页用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在DNA连接酶的作用下连接形成重组DNA分子。2、目的基因与运载体结合第56页/共87页3、将目的基因导入受体细胞导入扩增常用的受体细胞：菌类和动植物细胞第57页/共87页4、目的基因的表达和检测大量的受体细胞接受不多的目的基因。处理的受体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中检测出来。将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保留有表达产物的进一步培养、研究。无表达产物无表达产物有表达产物无表达产物

第58页/共87页第59页/共87页？如何让大肠杆菌生产人胰岛素？①从细胞中分离出DNA①②③④⑤⑥②限制酶截取DNA片断③分离大肠杆菌中的质粒④DNA重组⑤用重组质粒转化大肠杆菌⑥培养大肠杆菌克隆大量基因第60页/共87页转基因生物与食物安全反对实质性等同。担心滞后效应。担心出现新的过敏原。担心营养成分改变。把动物蛋白转入农作物是否侵犯了素食者的权益？实质性等同是转基因农作物安全性评价的起点而非终点。多环节、严谨的安全性评价，可以保证转基因食物的安全。科学家审慎的态度。没有转基因食物影响人体健康的实例。举证排除法。第61页/共87页转基因生物与环境安全会破坏生态系统的稳定性。重组的微生物在降解某些化合物时所产生的中间产物，可能造成二次污染。重组DNA与微生物杂交可能产生对人类有害的病原微生物。转基因植物的花粉中含有的毒蛋白通过食物链有可能进入动物或人体。转入的是自然界已有的基因，，不会破坏生态系统的稳定性。可以减少农药用量。抗除草剂农作物使农田管理更容易。新闻报道不实，公众的过分担忧。第62页/共87页

杂交育种诱变育种

多倍体育种单倍体育种处理

原理

优点

缺点杂交辐射、射线化学药剂秋水仙素花药离体培养基因重组基因突变染色体变异可以集中两个亲体的优良性状育种年限缩短，改良某些性状果大，茎秆粗，营养物丰富年限短，易稳定时间长有利不多，需大量处理发育迟结实低高度不育植株弱小第63页/共87页遗传育种的方法及原理名称原理方法优点缺点应用杂交育种基因重组培育纯合子品种：杂交→自交→筛选出符合要求的表现型，通过自交到不发生性状分离为止①分散在同一物种不同品种中的多个优良性状集中于同一个体；②操作简便年年制种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培育杂种优势品种：一般是选取纯合双亲杂交杂交水稻、玉米第64页/共87页名称原理方法优点缺点应用诱变育种基因突变①物理：紫外线、X射线或γ射线、微重力、激光等处理，再筛选；②化学：亚硝酸、硝酸二乙酯处理，再选择提高变异频率，加快育种进程，大幅度改良某些性状有利变异少，需大量处理实验材料(有很大盲目性)高产青霉菌单倍体育种染色体变异①先将花药离体培养，培养出单倍体植株；②将单倍体幼苗经一定浓度的秋水仙素处理获得纯合子；③从中选择优良植株明显缩短育种年限，子代均为纯合子，加速育种进程技术复杂且需与杂交育种配合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第65页/共87页名称原理方法优点缺点应用多倍体育种染色体变异用一定浓度的秋水仙素处理萌发的种子或幼苗操作简单，能较快获得所需品种所获品种发育延迟，结实率低，一般只适用于植物三倍体无子西瓜、八倍体小黑麦基因工程育种基因重组提取目的基因一构建基因表达载体→转入(导入受体细胞)→目的基因的表达与检测→筛选获得优良个体①目的性强，育种周期短；②克服了远缘杂交不亲和的障碍技术复杂，安全性问题多，有可能引发生态危机转基因“向日葵豆”、转基因抗虫棉细胞工程育种细胞的全能性去壁→诱融→组培；核移植和胚胎移植①克服远缘杂交不亲和的障碍，②可应用于繁育优良动物，抢救濒危动物技术要求高白菜—甘蓝的培育、克隆羊“多利”第66页/共87页

应用指南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．杂交育种选育的时间是F2，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。第67页/共87页4．杂交育种是通过杂交培育具有优良性状且能稳定遗传(纯合子)的新品种，而杂种优势则是通过杂交获得种子，一般不是纯合子，在杂种后代上表现出多个优良性状，但只能用杂种一代，因为后代会发生性状分离。5．诱变育种尽管能提高突变率，但处理材料时仍然是未突变的远远多于突变的个体；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仍多于有利，只是与自然突变相比较，二者都增多。第68页/共87页6．杂交育种与杂种优势的区别①杂交育种是通过有性生殖，使不同的优良性状组合到后代的一个个体中，从而选育出优良品种的方法。②杂种优势是指基因型不同的个体杂交产生的杂交一代，在适应能力等方面优于两个亲本的现象。第69页/共87页7．不同育种目的的杂交育种的基本步骤及特点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。a．基本步骤：选取双亲P(♀、♂)→杂交→F1。b．特点：高产、优质、抗性强，但种子只能种一年。第70页/共87页②培育纯合子品种a．培育隐性纯合子品种的基本步骤选取双亲P(♀、♂)→杂交，F1→自交→F2→选出表现型符合要求的个体种植推广。b，培育双显纯合子或隐一显纯合子品种的基本步骤选取双亲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。c．特点：操作简单，但需要的时间较长。第71页/共87页

1．基因工程的原理(1)不同生物的DNA分子具有相同结构。(2)基因是控制生物性状的基本结构单位和功能单位。(3)各种生物共用一套遗传密码。基因工程第72页/共87页2．基因工程操作的工具(1)限制性核酸内切酶——基因的“剪刀”①存在场所：主要是存在于微生物细胞中。②特性：一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能够在特定的切点上切割DNA分子。③作用结果：得到平末端或黏性末端。第73页/共87页(2)DNA连接酶——基因的“针线”①作用：连接限制性核酸内切酶切开的断口。②常用的种类及来源：分类不同点E·coliDNA连接酶T4DNA连接酶来源大肠杆菌T4噬菌体作用只连接黏性末端连接黏性末端、平末端第74页/共87页(3)运载体——基因的运输工具作为运载体必须具备的条件：①能够在宿主细胞内复制并稳定地保存。②含有多个限制酶切点，以便和外源基因相连。③含有标记基因，以便于筛选。第75页/共87页比较项目基因重组基因工程不同点概念在生物体进行有性生殖过程中，控制不同性状的基因的重新组合按照人们的意愿，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，定向地改良生物的遗传性状重组基因同一物种的不同基因不同物种间的不同基因繁殖方式有性生殖无性生殖意义是生物变异的来源之一，对生物进化有重要意义使人类有可能按自己的意愿直接定向地改变性状，培育出新品种相同点都实现了不同基因间的重新组合，都能使生物产生变异基因工程与基因重组第76页/共87页【知识拓展】①传统意义上的基因重组：只能发生在进行有性生殖的同种生物之间；对基因重组使生物体性状发生变异这一现象来说，减数分裂形成不同类型配子是因，而受精作用产生不同性状的个体则是果。②基因重组分类：分子水平的基因重组(如通过对DNA的剪切、拼接而实施的基因工程)；第77页/共87页染色体水平的基因重组(减数分裂过程中同源染色体上非姐妹染色单体交叉互换，以及非同源染色体自由组合下的基因重组)；细胞水平的基因重组(如动物细胞融合技术以及植物体细胞杂交技术的大规模基因重组)。③基因工程操作工具酶只有两种，工具有三种。操作步骤中只有第三步导入受体细胞不涉及碱基互补配对，其余三步都涉及。第78页/共87页应用指南1．基因工程的三种工具中，限制性核酸内切酶、DNA连接酶是基因操作过程中的酶工具，化学本质是蛋白质。但它们的功能不同，前者切割磷酸二酯键，后者连接磷酸二酯键。而运载体可能是质粒或病毒。2．限制性核酸内切酶、DNA连接酶都是一类酶，不是一种酶。第79页/共87页3．DNA连接酶与DNA聚合酶的不同①DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核酸片段的3′末端的羟基上；而DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键，不是在单个核苷酸与DNA片段之间形成磷酸二酯键。②DNA聚合酶是以一条DNA链为模板，将单个核苷酸通过磷酸二酯键形成一条与模板链互补的DNA链；而DNA连接酶是将DNA双链上的两个缺口同时连接起来，因此DNA连接酶不需要模板。第