高中生物必修二第六章从杂交育种到基因工程知识点

高中生物必修二第六章从杂交育种到基因工程知识点一、杂交育种1.概念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。2.原理基因重组。通过基因重组把控制不同优良性状的基因组合到一起，产生新的基因型，从而表现出不同优良性状组合的新类型。3.过程选择亲本：选择具有不同优良性状的亲本进行杂交。例如，在培育抗倒伏抗锈病小麦时，选择抗倒伏但易染锈病的小麦品种和易倒伏但抗锈病的小麦品种作为亲本。杂交：将选定的亲本进行杂交，使优良性状基因组合在一起，得到F1代。如上述亲本杂交后，F1代可能同时具备易倒伏和抗锈病的性状。自交：让F1代自交，F1代在减数分裂形成配子时，由于基因重组会产生多种基因型的配子，通过自交，这些配子随机结合，后代会出现性状分离。筛选：从F2代及以后的世代中筛选出符合要求的优良性状个体。如筛选出抗倒伏且抗锈病的小麦个体。连续自交：对筛选出的优良性状个体进行连续自交，不断淘汰不符合要求的个体，直到不发生性状分离为止，从而获得稳定遗传的优良品种。4.优点可以将多个优良性状集中在一个个体上，操作简便。能产生新的基因型，培育出具有优良性状组合的新品种。5.缺点育种周期长，一般需要多年的选择和培育才能获得稳定遗传的品种。只能利用已有的基因重组，不能创造新的基因。二、诱变育种1.概念诱变育种是利用物理因素（如X射线、γ射线、紫外线、激光等）或化学因素（如亚硝酸、硫酸二乙酯等）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。基因突变能产生新的基因，为生物进化提供原始材料，也为育种提供了新的基因资源。3.过程选择材料：选择合适的生物材料，如植物的种子、幼苗等，动物的胚胎等。诱变处理：用物理或化学因素对所选材料进行处理。例如，用一定剂量的X射线照射植物种子。筛选：处理后的生物材料会发生基因突变，从中筛选出具有优良性状的个体。由于基因突变具有不定向性，所以需要大量处理实验材料，才能获得所需的优良变异类型。培育：对筛选出的优良变异个体进行培育，通过进一步的选择和鉴定，获得能够稳定遗传的新品种。4.优点能提高突变率，在短时间内获得更多的优良变异类型。可以产生新的基因，创造出生物界前所未有的新性状，为育种提供了丰富的原始材料。5.缺点基因突变具有不定向性，因此诱变育种盲目性大，需要大量处理实验材料。突变个体难以集中多个优良性状，需要进一步的筛选和培育。三、单倍体育种1.概念单倍体育种是利用花药离体培养技术获得单倍体植株，再通过人工诱导使染色体数目加倍，从而获得纯合子植株的育种方法。2.原理染色体变异（染色体数目成倍减少后又恢复正常）。3.过程花药离体培养：选取具有优良性状的亲本进行杂交，取F1代的花药进行离体培养，获得单倍体植株。例如，基因型为AaBb的个体，其花药中的花粉粒（雄配子）有AB、Ab、aB、ab四种类型，通过花药离体培养分别发育成单倍体植株。诱导染色体加倍：用秋水仙素处理单倍体幼苗，抑制纺锤体的形成，使染色体不能移向细胞两极，从而使染色体数目加倍，得到纯合的二倍体植株。例如，经秋水仙素处理后，基因型为AB的单倍体植株染色体加倍成为基因型为AABB的纯合二倍体植株。筛选：对染色体加倍后的植株进行筛选，选出具有优良性状的纯合子植株。4.优点明显缩短育种年限。一般情况下，杂交育种获得稳定遗传的纯合子需要多年的连续自交，而单倍体育种通过染色体加倍直接获得纯合子，大大缩短了育种时间。能排除显隐性干扰，提高效率。单倍体植株经染色体加倍后得到的都是纯合子，可直接用于生产，避免了杂交育种中显隐性性状对育种的干扰。5.缺点技术复杂，需要进行花药离体培养和染色体加倍等操作。成本较高，需要一定的设备和技术条件。四、多倍体育种1.概念多倍体育种是利用人工诱导的方法使染色体数目加倍，培育出多倍体植株的育种方法。2.原理染色体变异（染色体数目成倍增加）。3.方法低温诱导：用低温处理植物分生组织细胞，如根尖、茎尖等，抑制纺锤体的形成，导致染色体不能移向细胞两极，从而使染色体数目加倍。秋水仙素处理：常用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗。秋水仙素能抑制纺锤体的形成，作用于有丝分裂前期。例如，将一定浓度的秋水仙素溶液滴在二倍体西瓜幼苗的芽尖上，处理后的芽尖细胞在有丝分裂过程中，由于纺锤体不能形成，染色体不能正常分离，导致细胞内染色体数目加倍，发育成四倍体西瓜植株。4.过程选择合适的材料：一般选择二倍体植物作为处理对象，因为二倍体植物经过染色体加倍后容易形成多倍体。诱导处理：用低温或秋水仙素对所选材料进行处理。培育：处理后的材料经过培育，长成多倍体植株。例如，四倍体西瓜植株与二倍体西瓜植株杂交，可获得三倍体西瓜种子，种植三倍体西瓜种子得到三倍体西瓜植株。5.优点多倍体植株茎秆粗壮，叶片、果实和种子都比较大，糖类和蛋白质等营养物质的含量有所增加。例如，四倍体葡萄比二倍体葡萄果实大，营养更丰富。某些多倍体植物的抗逆性增强，如抗寒、抗旱能力提高。6.缺点发育延迟，结实率低。多倍体植物生长发育过程相对缓慢，开花结果时间延迟，而且结实率较低。例如，三倍体西瓜由于减数分裂时染色体联会紊乱，不能形成正常的配子，因此高度不育，需要每年制种。五、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.原理基因重组。基因工程实现了不同物种之间的基因交流和重组，打破了生殖隔离，使人类可以按照自己的意愿创造出具有特定性状的生物新品种。3.工具限制性核酸内切酶（限制酶）：来源：主要从原核生物中分离纯化出来。作用：能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。例如，EcoRⅠ限制酶识别的序列是GAATTC，并在G和A之间切开。DNA连接酶：作用：将限制酶切割下来的DNA片段拼接成新的DNA分子，形成磷酸二酯键。种类：根据来源不同，可分为E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶。E·coliDNA连接酶只能连接黏性末端，而T4DNA连接酶既可以连接黏性末端，也可以连接平末端，但连接平末端的效率比较低。载体：作用：携带目的基因进入受体细胞，在受体细胞中进行自我复制或整合到染色体DNA上，随染色体DNA进行同步复制。条件：能在宿主细胞中复制并稳定保存；具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入；具有标记基因，便于筛选含有目的基因的受体细胞。种类：常用的载体有质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。4.操作步骤目的基因的获取：从基因文库中获取：基因文库是将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因。根据目的基因的有关信息，如基因的核苷酸序列、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA等，从基因文库中获取目的基因。利用PCR技术扩增：PCR全称为聚合酶链式反应，是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。前提是要有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物。过程包括高温变性（9095℃，使DNA双链解开）、低温复性（5560℃，引物与单链DNA结合）、中温延伸（7075℃，Taq酶从引物起始进行互补链的合成）三个步骤，通过多次循环可以大量扩增目的基因。人工合成：如果基因比较小，核苷酸序列又已知，可以通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成。基因表达载体的构建：组成：基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因等。启动子是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。终止子位于基因的尾端，作用是使转录在所需要的地方停下来。标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来，如抗生素抗性基因。构建过程：用同一种限制酶切割目的基因和载体，使它们产生相同的黏性末端，然后用DNA连接酶将目的基因和载体连接起来，形成重组DNA分子。将目的基因导入受体细胞：植物细胞：常用农杆菌转化法，将目的基因插入到Ti质粒的TDNA上，通过农杆菌的转化作用，将目的基因导入植物细胞，并将其插入到植物细胞中染色体的DNA上，使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达。此外，还有基因枪法和花粉管通道法等。动物细胞：常用显微注射技术，将含有目的基因的表达载体提纯，取卵（母）细胞，用显微操作仪将目的基因注射到受精卵的雄原核内，再将注射了目的基因的受精卵移植到雌性动物的子宫内，使其发育成具有新性状的动物。微生物细胞：常用Ca²⁺处理法，用CaCl₂处理细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，这种细胞称为感受态细胞。将重组表达载体DNA分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合，在一定温度下促进感受态细胞吸收DNA分子，完成转化过程。目的基因的检测与鉴定：分子水平检测：检测转基因生物染色体的DNA上是否插入了目的基因，采用DNA分子杂交技术。用放射性同位素标记的含有目的基因的DNA片段作探针，与转基因生物的基因组DNA杂交，如果显示出杂交带，说明目的基因已插入染色体DNA中。检测目的基因是否转录出了mRNA，采用分子杂交技术。用标记的目的基因作探针与mRNA杂交，若出现杂交带，则表明目的基因转录出了mRNA。检测目的基因是否翻译成蛋白质，采用抗原抗体杂交技术。从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原抗体杂交，若有杂交带出现，表明目的基因已形成蛋白质产品。个体水平鉴定：通过观察转基因生物的性状表现来鉴定目的基因是否成功表达。例如，将抗虫基因导入棉花细胞后，通过检测棉花是否对棉铃虫具有抗性来鉴定抗虫基因是否成功表达。5.优点目的性强，可以按照人们的意愿定向改造生物的遗传性状，培育出新品种。例如，通过基因工程可以培育出抗虫棉、转基因奶牛等。打破了生殖隔离，实现了不同物种之间的基因交流，能培育出具有优良性状组合的生物新品种。能克服远缘杂交不亲和的障碍，培育出自然界中没有的新物种或新类型。6.安全性问题食物安全：可能出现滞后效应，转基因植物的某些蛋白质可能在人体内缓慢积累，经过较长时间才表现出对人体的影响；也可能出现新的过敏原，转基因植物中导入的新基因可能会使植物产生新的蛋白质，这些蛋白质可能成为新的过敏原；还可能营养成分改变，转基因植物的营养成分可能发生改变，对人体健康产生潜在影响。生物安全：转基因生物可能会扩散到种植区以外，成为野生种类，或成为入侵的外来物种，