第12章 从杂交育种到基因工程

1．诱变育种时突变的个体中有害个体多于

有利个体。

2．诱变育种能产生前所未有的新基因，创

造变异新类型。

3．杂交育种能将多个优良性状集中到同一生物个体上。4．杂合子品种的种子只能种一年，需要年年制种。5．一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列并在特定的切点上切割DNA分子。6．DNA连接酶的作用是在DNA片段之间的磷酸与脱氧核糖之间形成磷酸二酯键。7．基因工程育种能定向改造生物性状。一、杂交育种与诱变育种杂交育种诱变育种原理过程选择

的亲本通过杂交获得F1，

，从中筛选获得需要的类型利用射线和化合物等理化因素诱导分裂的细胞发生

，并选取需要的类型应用

，提高农作物单位面积产量；培育优良家畜、家禽主要用于基因重组基因突变具有不同优良性状F1连续自交基因突变改良作物品质农作物和微生物[想一想]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产生新基因，从而创造出新性状。二、基因工程及其应用1．概念的理解基因工程别名基因拼接技术或

技术操作环境生物体体外操作对象操作水平DNA

水平基本过程剪切、拼接、导入、表达结果

改造生物的遗传性状，获得人类需要的基因产物DNA重组基因分子定向2．基因操作的基本工具

(1)基因的“剪刀”——

简称限制酶①分布：主要在

。②特性：一种限制酶只能识别一种特定的

，并在

上切割DNA分子。

(2)基因的“针线”——

。

作用：连接磷酸和脱氧核糖形成

。

(3)基因的运输工具——

。

最常用的运载体是

，还有噬菌体、动植物病毒等。限制性核酸内切酶微生物体内核苷酸序列特定的切点DNA连接酶磷酸二酯键运载体质粒3．基因操作的基本步骤获取目的基因→目的基因与

结合→将目的基因导入

→目的基因的

。

[想一想]运载体和细胞膜上的载体相同吗？提示：不同。①运载体是将外源基因导入受体细胞的专门运输工具，常用的运载体有质粒、动植物病毒、噬菌体等。②细胞膜上的载体是位于细胞膜上的载体蛋白质，与控制物质进出细胞有关系。运载体受体细胞检测与表达[知识体系构建]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限制性内切酶⑨DNA连接酶目的基因获取→目的基因与运载体结合→目的基因导入受体细胞→目的基因检测与鉴定几种生物育种方法比较1．(2012·天津高考)芥酸会降低菜籽油的品质。油菜有两对独立遗传的等位基因(H和h，G和g)控制菜籽的芥酸含量，下图是获得低芥酸油菜新品种(HHGG)的技术路线。已知油菜单个花药由花药壁(2n)及大量花粉(n)等组分组成，这些组分的细胞都具有全能性。据图分析，下列叙述错误的是(

)A．①、②两过程均需要植物激素来诱导细胞脱分化B．与④过程相比，③过程可能会产生二倍体再生植株C．图中三种途径中，利用花粉培养筛选低芥酸植株(HHGG)的效率最高D．F1减数分裂时，H基因所在染色体会与G基因所在染色体发生联会解析：①②过程为脱分化，均需要植物激素来诱导。③过程形成的再生植株如果是由花药壁(2n)细胞发育而来的，则为二倍体；如果是由花粉(n)细胞发育而来的，则为单倍体。②④过程属于单倍体育种，能明显缩短育种年限，并且通过该途径得到的低芥酸新品种(HHGG)全部能稳定遗传，故与其他两种途径相比，其育种效率最高。在减数分裂过程中，同源染色体之间发生联会，而H基因和G基因所在的染色体为非同源染色体，减数分裂过程中不会发生联会。答案：D2．(2012·海南高考)无子西瓜是由二倍体(2n＝22)与同源四倍体杂交后形成的三倍体。回答下列问题：(1)杂交时选用四倍体植株作母本，用二倍体植株作父本，取其花粉涂在四倍体植株的________上，授粉后套袋。四倍体植株上产生的雌配子含有________条染色体，该雌配子与二倍体植株上产生的雄配子结合，形成含有________条染色体的合子。(2)上述杂交获得的种子可发育为三倍体植株。该植株会产生无子果实，该果实无子的原因是三倍体的细胞不能进行正常的________分裂。(3)为了在短期内大量繁殖三倍体植株，理论上可以采用________的方法。解析：(1)利用多倍体育种技术培育无子西瓜时，在二倍体西瓜的幼苗期，用秋水仙素处理得到四倍体植株，以其作母本，用二倍体植株作父本，两者杂交，把得到的种子种下去会长出三倍体植株；四倍体植株由二倍体植株经染色体加倍而来，体细胞中含有4n＝44条染色体，减数分裂产生的雌配子所含的染色体数目为体细胞的一半(22条)，二倍体植株产生的雄配子含11条染色体，两者结合形成含有33条染色体的受精卵。(2)三倍体植物体细胞中的染色体含有三个染色体组，减数分裂时会发生联会紊乱，无法形成正常的配子。(3)利用植物组织培养技术可以快速、大量繁殖植物。答案：(1)雌蕊(或柱头)

22

33(2)减数(3)组织培养3．(2012·浙江高考)玉米的抗病和不抗病(基因为A、a)、高秆和矮秆(基因为B、b)是两对独立遗传的相对性状。现有不抗病矮秆玉米种子(甲)，研究人员欲培育抗病高秆玉米，进行以下实验：取适量的甲，用合适剂量的γ射线照射后种植，在后代中观察到白化苗4株、抗病矮秆1株(乙)和不抗病高秆3株(丙)。将乙与丙杂交，F1中出现抗病高秆、抗病矮秆、不抗病高秆和不抗病矮秆，选取F1中抗病高秆植物上的花药进行离体培养获得幼苗，经过秋水仙素处理后选出纯合二倍体的抗病高秆植株(丁)。另一个实验表明：以甲和丁为亲本进行杂交，子一代均为抗病高秆。请回答：(1)对上述1株白化苗的研究发现，控制其叶绿素合成的基因缺失了一段DNA，因此基因不能正常________，功能丧失，无法合成叶绿素，表明该白化苗的变异具有________的特点，该变异类型属于________。(2)上述培育抗病高秆玉米的实验运用了________、单倍体育种和杂交育种技术，其中杂交育种技术依据的原理是________，花药离体培养中，可通过诱导愈伤组织分化出芽、根获得再生植株，也可通过诱导分化成________获得再生植株。(3)从基因组成看，乙与丙植株杂交的F1中抗病高秆植株能产生________种配子。(4)请用遗传图解表示乙与丙植株杂交得到F1的过程。解析：(1)基因中缺失了一段DNA，这属于基因突变。植物因基因突变而无法合成叶绿素，成为白化苗，体现了基因突变的有害性。(2)从育种过程看，除了单倍体育种、杂交育种外，还有诱变育种。杂交育种的原理是基因重组，可以有目的地将两个或多个优良性状“组合”在一起，培育出更优良的新品种。通过植物组织培养获得新植株的途径有两条，一是通过调节营养物质和生长调节剂的适当配比，从愈伤组织中诱导出芽和根的顶端分生组织，并可由此再生出新的植株；二是将含有愈伤组织培养物的试管放在摇床上，通过液体悬浮培养分散成单细胞，在适宜的培养基中，这种单细胞可发育成胚状体，胚状体继续发育，可以形成植株。(3)由于甲植株表现为不抗病矮秆，丁植株表现为抗病高秆，其后代全表现为抗病高秆，故抗病对不抗病为显性，高秆对矮秆为显性。由乙植株与丙植株杂交后代的表现型可推知，乙植株和丙植株都是杂合子，基因型分别是Aabb、aaBb，后代抗病高秆的基因型是AaBb，产生AB、Ab、aB、ab4种配子。(4)书写遗传图解时应注意写出亲本的基因型和表现型、配子、后代的基因型和表现型及其比例和各种符号。答案：(1)表达有害性基因突变(2)诱变育种基因重组胚状体(3)4(4)遗传图解如下几种遗传育种的方法比较原理常用方式优点缺点举例杂交育种基因重组杂交↓自交↓选种↓自交①使不同个体优良性状集中在一个个体上②操作简便①育种时间长②局限于亲缘关系较近的个体矮秆抗病小麦原理常用方式优点缺点举例诱变育种基因突变辐射、激光、空间诱变等提高变异频率，加速育种进程，大幅度改良性状有很大盲目性，有利变异少，需大量处理实验材料青霉素高产菌株单倍体育种染色体变异花药离体培养，用秋水仙素处理①明显缩短育种年限②子代均为纯合子技术复杂，需与杂交育种配合单倍体育种获得矮秆抗病小麦原理常用方式优点缺点举例多倍体育种染色体变异用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗器官大，提高营养物质含量只适用于植物，发育延迟，结实率低三倍体无子西瓜基因工程育种基因重组将一种生物的特定基因转移到另一种生物细胞中打破物种界限，定向改造生物的遗传性状技术复杂，生态安全问题较多转基因抗虫棉的培育高考地位本考点知识自身难度不大，

关键是与遗传定律结合解决相关生物育种知识时，难度加大，在高考命题中属于高频考点之一命题角度(1)以选择题形式考查不同育种方式的优点，如典例1；(2)结合社会科技发展，考查生物育种方式及过程等相关知识，如典例2。[典例1]农业生产上常常需要进行作物育种，以保证正常的农业生产活动。下列有关作物育种方法的叙述，正确的是(

)A．作物育种中最简捷的方法是杂交育种和单倍体育种

B．只有单倍体育种能明显缩短育种年限

C．采用克隆的方法培育作物品种能保持亲本的优良性状

D．体细胞中染色体组数为奇数的作物品种都是经花药培养得来的[解析]杂交育种时间长、工作量大；单倍体育种与杂交育种相比，能明显缩短育种年限，但不是缩短育种年限的唯一方法；克隆是无性生殖，能保持亲本的优良性状；三倍体无子西瓜的体细胞中染色体组数为奇数，但其并不是经花药培养得来的。

[答案]C[典例2]育种专家利用搭乘“神舟”五号飞船遨游太空的“彩色小麦”种子，培育出了具有保健作用的优质小麦品种。请回答下列问题：

(1)将“彩色小麦”种子送入太空，太空中的空间辐射强度远大于地面，它不仅诱发细胞内基因______，而且引发DNA链断裂或染色体______，从而使小麦的遗传物质发生改变。

(2)育种专家送上太空的种子的基因型都是纯合的，回收后为什么还要进一步选育才能得到纯合子？_______________________________________________________________。(3)他们选育的方法是先自交后杂交再自交，其目的分别是__________________________________________________________________________________________。

(4)由于转基因食品存在安全问题，有些人对太空食品的安全性很是担心，请你列出一条理由，解释有些人的担心是多余的____________________________________。[解析]由于太空环境中存在高能离子辐射，还有微重力、宇宙磁场、超真空等特殊的情况，所以可使小麦种子发生在地面上不可模拟的变化，这些太空环境因素往往会引起染色体变异、基因突变等，所以回收后的种子的后代会发生性状分离，需要进一步选育，选育的方法是先自交，以获得单株具有优良性状的纯种，然后杂交，以获得具有多个优良性状的植株，杂交后还要连续自交，以得到能够稳定遗传的、具有多种优良性状的品种。太空育种并没有将外源基因导入作物中，太空育种的原理是基因突变，这种变异和自然界植物的自然变异是一样的。[答案]

(1)突变变异(2)因为遗传物质发生改变，后代会发生性状分离(3)自交的目的是获得单株具有优良性状的纯种，杂交是将具有不同优良性状的纯种小麦杂交，以获得具有多种优良性状的小麦，再自交的目的是获得能够稳定遗传的、具有多种优良性状的小麦(4)太空育种只是作物本身的基因发生改变，没有外源基因的导入(其他合理答案也可)基因工程及育种1．(2012·浙江高考)天然的玫瑰没有蓝色花，这是由于缺少控制蓝色色素合成的基因B，而开蓝色花的矮牵牛中存在序列已知的基因B，现用基因工程技术培育蓝玫瑰，下列操作正确的是(

)A．提取矮牵牛蓝色花的mRNA，经过逆转录获得互补的DNA，再扩增基因BB．利用限制性核酸内切酶从开蓝色花牵牛的基因文库中获取基因BC．利用DNA聚合酶将基因B与质粒连接后导入玫瑰细胞D．将基因B直接导入大肠杆菌，然后感染并转入玫瑰细胞解析：获得目的的基因B，可先提取矮牵牛蓝色花的mRNA，经逆转录获得互补的DNA，再经PCR技术扩增；基因文库构建时是将目的基因与载体连接起来，形成重组载体，再导入受体菌中储存和扩增，提取目的基因时不需使用限制酶；连接目的基因与质粒的酶是DNA连接酶；将目的基因导入植物细胞，常用农杆菌转化法，不使用大肠肝菌。答案：A2．(2011·浙江高考)将ada(腺苷酸脱氨酶基因)通过质粒

pET28b导入大肠杆菌并成功表达腺苷酸脱氨酶。下列叙述错误的是(

)A．每个大肠杆菌细胞至少含一个重组质粒B．每个重组质粒至少含一个限制性核酸内切酶识别位点C．每个限制性核酸内切酶识别位点至少插入一个adaD．每个插入的ada至少表达一个腺苷酸脱氨酶分子解析：受体大肠杆菌成功表达腺苷酸脱氨酶，说明每个大肠杆菌细胞至少含有一个重组质粒，且每个ada

至少指导合成一个腺苷酸脱氨酶分子。重组质粒的形成需先用限制性核酸内切酶切割目的基因和质粒形成相同的黏性末端，再在

DNA连接酶的作用下连接起来，连接起来的序列中会含有限制性核酸内切酶的识别位点。不同的限制性核酸内切酶识别位点不同，不是每个限制性核酸内切酶的识别位点都能插入ada。答案：C1．基因工程的操作步骤将目的基因导入受体细胞：主要是借鉴细菌或病毒侵

染细胞的方法2.有关基因工程的相关提醒

(1)限制酶在第一步和第二步操作中都用到，且要求是同一种酶，目的是产生相同的黏性末端；第二步中两种工具酶都用到。

(2)质粒是最常用的运载体，不要把质粒和运载体等同，除此之处，噬菌体和动植物病毒也可作为运载体。运载体的化学本质为DNA，其基本单位为脱氧核苷酸。

(3)目的基因表达的标志：通过翻译合成相应的蛋白质。

(4)通过基因工程培育的抗虫棉，只能抗虫不能抗病毒、细菌。[关键一点]

容易混淆的DNA连接酶和DNA聚合酶

(1)DNA连接酶：在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键。

(2)DNA聚合酶：可将单个的脱氧核苷酸加到已有的脱氧核苷酸序列上，形成磷酸二酯键。

(3)相同点：这两种酶都是蛋白质，都可以形成两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。高考地位本考点知识难度不大，在高考命题时常与选修内容结合考查，属于命题高频考点之一命题角度以操作过程图示为信息载体，考查基因工程相关操作过程的基础知识，如典例3。[典例3]

下图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图，请据图作答：(1)图中基因工程的基本过程可以概括为“四步曲”：_________；_________；___________；____________。

(2)能否利用人的皮肤细胞来完成①过程？________，为什么？____________________________________。

(3)过程②必需的酶是_______酶，过程③必需的酶是________酶。

(4)若A中共有a个碱基对，其中鸟嘌呤有b个，若③④⑤过程连续进行4次，至少需要提供胸腺嘧啶______个。

(5)在利用A、B获得C的过程中，常用_______切割A和B，使它们产生_________，再加入______，才可形成C。[解析]

(1)基因工程的四个步骤：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。

(2)图中①过程是从细胞中直接获取相应的mRNA，由于基因的选择性表达，人的皮肤细胞中的胰岛素基因不转录，不表达，因此不能形成胰岛素mRNA。

(3)从mRNA→DNA是逆转录过程，需要逆转录酶。DNA分子的扩增需用解旋酶将双链DNA解旋为单链。(4)一个DNA分子中的鸟嘌呤(b个)和胸腺嘧啶之合占碱基总数(2a个)的一半，所以一个DNA分子片段中胸腺嘧啶数为(a－b)个。连续复制4次，共产生DNA分子24＝16个，由于复制方式为半保留复制，故需要提供的胸腺嘧啶数量为(a－b)×(16－1)＝15(a－b)个。

(5)构建基因表达载体时，需将目的基因与运载体用同一种限制酶切割，产生相同的黏性末端，才可以在DNA连接酶作用下连接形成基因表达载体。答案：(1)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

(2)不能皮肤细胞中的胰岛素基因未表达(或未转录)，不能形成胰岛素mRNA(3)逆转录解旋(4)15(a－b)(5)同一种限制性核酸内切酶相同的黏性末端DNA连接酶1．育种的目的育种的根本目的是培育具有优良性状(抗逆性好、生活力强、产量高、品质优良)的新品种，以便更好地为人类服务。从基因组成上看，目标基因型可能是纯合体，可防止后代发生性状分离，便于制种和推广；也有可能是杂合体，即利用杂种优势的原理，如杂交水稻的培育、玉米的制种等。2．不同需求的育种方法

(1)若要培育隐性性状个体，则可用自交或杂交，只要出现该性状即可。

(2)有些植物如小麦、水稻等，杂交实验较难操作，则最简便的方法是自交。

(3)若要快速获得纯种，则用单倍体育种方法。

(4)若实验植物为营养繁殖类如土豆、地瓜等，则只要出现所需性状即可，不需要培育出纯种。

(5)若要培育原先没有的性状，则可用诱变育种。(6)提高营养物质含量可运用多倍体育种。

(7)将两个亲本的不同优良性状集中在一起，可利用杂交育种。

(8)若要定向地改造生物性状，则可用基因工程育种。

(9)在实际育种过程中，并非单一地运用某种育种方式，而是根据需要选择多种育种方式综合运用。粮食是人类生存的基本条件，提高单位面积粮食的产量、质量是解决粮食问题的主要途径之一。

(1)为提高农作物的产量，得到抗倒伏、抗锈病等优良性状，科学家往往采取多种育种方法来培育符合农业生产要求的新品种。根据下面提供的材料，设计育种方案，以便最快得到所需品种。非生物材料：可自选。生物材料有：

A．水稻的高秆(显性)抗锈病(显性)纯种

B．水稻的矮秆(隐性)不抗锈病(隐性)纯种

C．水稻的高秆(显性)不抗锈病(隐性)纯种①要得到能直接应用于生产的具有抗倒伏、抗锈病等优良性状的品种，该品种应是________。②所选择的生物材料：________________(填写代表生物材料的字母)。③育种过程中运用的最常见的方法是_____________________________________________________________。④预期产生这种结果(所需性状类型)的概率是________。如果从播种到获得种子需要一年，则获得该品种植株至少需要________年。(2)随着科技的发展，许多新的育种方法已经出现并投入使用。①用普通小麦和黑麦培育的八倍体小黑麦的原理是______________________________________________。②航天育种是目前的一个热门话题，如“神七”就搭载了萌发着的植物种子。那么利用这种方法是否一定能获得人们所期望的理想性状？为什么？________________。③螟虫是危害水稻的主要害虫之一。科学家为了减少农药的使用，希望培育出具有抗螟虫性状的水稻新品种，最适合的育种方法是_________，其原理是_________。[解析]

(1)①能直接应用于生产的品种要保持优良性状，其自交后代不发生性状分离，一般为纯合子。②杂交育种的原理是基因重组，将两个品种的优良性状(抗倒伏、抗锈病)组合到一起，选择A、B两个亲本可以达到这一目的。③最快的育种方法是单倍体育种，常用技术有杂交、花药离体培养、人工诱导染色体加倍等。④亲本杂交后的子代花药离体培养、人工诱导染色体加倍后得到4种纯合子，比例相同，因此抗倒伏抗锈病性状的概率为1/4。亲本杂交得到种子(子代)需要1年，子代花药离体培养、人工诱导染色体加倍后，得到纯合子需要1年。(2)①普通小麦为六倍体，黑麦为二倍体，两者杂交得到的个体有4个染色体组，人工诱导染色体加倍后为八倍体，属于染色体变异。③抗虫性状的基因一般来自原核生物，运用转基因技术将抗虫基因移接到植物体，属于基因重组。

[答案]

(1)①纯