遗传与基因工程

提到遗传，人们不会忘记遗传学之父——孟德尔，他以严谨求实的科学态度和正确的研究方法以及持之以恒的探索精神，发现了基因分离定律和基因自由组合定律，拉开了20世纪人类解开遗传之谜的序幕。到20世纪50年代，美国科学家沃森和英国科学家克里克对DNA分子双螺旋结构的阐明，标志着遗传学的发展进入了分子遗传学阶段。在此后的20年中，分子遗传学取得了突飞猛进的发展，主要包括：遗传密码的破译，真核生物基因非连续结构的发现，原核生物基因调控机制的阐明等。从20世纪70年代开始，伴随着限制性内切酶的发现，以人类向改造生物遗传性状为目的的基因工程应运而生。基因工程的发展，使人类进入了控制和改造生物的新时代。遗传与基因工程第三章问题：1、真核生物控制生物性状的遗传物质分布在细胞的哪些部位？2、分布不同部位的遗传物质控制的性状遗传方式怎样？遵循孟德尔的遗传定律遗传物质细胞核内细胞质内细胞核遗传（核遗传）细胞质遗传新遗传现象的发现1900年，C.E.科伦斯重新发现孟德尔定律后，又于1909年报道了在紫茉莉中有不符合于孟德尔定律的遗传现象。德国学者E.鲍尔在同一年中报道了天竺葵中有类似的遗传现象现象。科伦斯遗传试验的材料紫茉莉的枝条一般是绿色的，因为它含有叶绿素的正常叶绿体。但这种植物存在着多种变异类型，如花斑植株。花斑紫茉莉枝条特点枝条颜色绿色白色花斑叶肉细胞中质体类型叶绿体白色体白色体叶绿体白色体叶绿体紫茉莉花斑植株杂交实验结果母本枝条父本枝条子一代植株11.绿色绿色绿色白色花斑2白色绿色白色白色花斑3花斑绿色绿色白色花斑白色绿色白色花斑花斑绿色白色花斑1.孟德尔的一对相对性状和两对相对性状的豌豆杂交试验结果是怎样的？2.分析三类实验能得出什么样的结论？实验结果分析1.F1总是表现出母本性状。象这样，具有相对性状的亲本杂交，F1总是表现母本性状的遗传现象，叫做母系遗传。2.F1的性状不会出现一定的分离比。结论：这种遗传现象不符合孟德尔遗传的定律。推论：具有以上两种特征的遗传现象就是细胞质遗传。探索原因1、性状受何物质控制？基因是决定生物性状的基本单位2．基因分布于细胞的何种结构中？基因是有遗传效应的DNA片断。DNA主要存在于细胞核，少量存在于细胞质，如线粒体、叶绿体中。提出假设它们可能属于细胞质遗传细胞质遗传的物质基础应该是细胞质中线粒体、叶绿体等细胞质结构中的DNA，即质基因。细胞质遗传机理代表两种细胞核代表两种质体代表两种线粒体P配子F1为什么以花斑紫茉莉为母本时，后代会产生三种不同的植株？（质基因遗传）卵原细胞在减数分裂时，细胞质中的基因并不像核基因那样有规律地分离，而是随机地、不均等地分配到子细胞中去，因此会产生三种卵细胞，从而会产生三种不同的植株。这种随机性和不均等性就导致了细胞质遗传的第二个特点：后代不出现一定的分离比。花斑紫茉莉卵原细胞类型卵细胞类后代植株类型减数分裂减数分裂减数分裂受精发育受精发育绿色植株白色植株花斑植株受精后有丝分裂产生三种细胞，发育细胞质遗传的解释细胞质遗传的解释•在杂交试验中，F1总表现出母本性状，即母系遗传的原因因为卵细胞含大量细胞质，而精子中只含极少量的细胞质。即受精卵中的细胞质几乎全部来自于卵细胞，因此，受质基因控制的性状由卵细胞传给了子代，使子代总是表现出母本的性状。•紫茉莉花斑植株的遗传，是否符合孟德尔的基因的分离定律？•与孟德尔的豌豆杂交试验作比较，上述杂交试验有何特点？不符合1）F1总表现出母本性状，即母系遗传2）F1的性状不会出现一定的分离比细胞质遗传的解释细胞质遗传的物质基础1.细胞质内应该有细胞质基因,但没有染色体；2.叶绿体内有20.5nm左右的叶绿体基因；3.线粒体内也有基因；4.叶绿体和线粒体的基因都可自我复制，并可控制某些蛋白质的合成。•核基因和质基因的概念与区别概念：细胞核中的基因叫核基因，细胞质中的基因叫质基因1）位置不同。核基因——细胞核质基因——细胞质2）存在方式不同。核基因——在染色体上直线排列质基因——不与蛋白质结合，双链环状•细胞核遗传、细胞质遗传的概念细胞核遗传：真核生物的性状由核基因控制的遗传方式。细胞质遗传：真核生物的性状由质基因控制的遗传方式。•豌豆杂交试验和花斑紫茉莉植株杂交试验属于上述哪种遗传？豌豆杂交试验花斑紫茉莉杂交试验——细胞核遗传——细胞质遗传归纳2．细胞核遗传和细胞质遗传各自都有相对的独立性。质基因与核基因一样，可以自我复制，可以控制蛋白质的合成，也就是说，都具有稳定性、连续性、变异性。（核基因位于染色体中，成对存在。质基因位于环状的DNA上，不成对）1．生物体中绝大部分性状是受细胞核基因的控制，核基因是主要的遗传物质，而有些性状是要受到细胞质基因的控制3．细胞核遗传与细胞质遗传相互影响，很多情况是核质互作的结果。特别提醒练习（一）将野生鳑鲏鱼受精卵中细胞核除去，然后注入金鱼受精卵的细胞核，由这样的受精卵发育成的鱼具备金鱼和鳑鲏鱼两个亲本的性状。该实验说明生物的遗传是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。下列说法正确的是（）A.受精卵中的染色体一半来自父方，一半来自母方B.受精卵中的遗传物质一半来自父方，一半来自母方C.受精卵细胞核中的遗传物质一半来自父方，一半来自母方D.受精卵细胞质中的遗传物质一半来自父方，一半来自母方细胞核和细胞质共同作用的结果AC练习（二）下图是某种遗传病的系谱图，分析回答：此遗传病的致病基因最可能存在于人体细胞的＿＿＿＿中，它是遗传属于＿＿＿＿遗传。线粒体细胞质人类神经性肌肉衰弱症是线粒体基因控制的遗传病，如右图所示的遗传图谱中，若I—l号为患者(Ⅱ一3表现正常)，图中患此病的个体是（）A、Ⅱ—4、Ⅱ—5、Ⅲ一7B、Ⅱ—5、Ⅲ—7、Ⅲ—8C、Ⅱ—4、Ⅱ—5、Ⅲ—8D、Ⅱ—4、Ⅲ—7、Ⅲ—8c玉米正常植株叶片为绿色，患一种遗传病后植株的叶片具白色条斑，或为不能成活的白化苗。显微观察发现，白化苗和白色条斑处的叶肉细胞不含叶绿体。有人为了探索该病的遗传机理，用人工授粉的方法进行了如下两个实验。根据下列实验结果回答问题：（1）实验一P♀条斑叶×绿色叶♂↓F1绿色叶条斑叶或白色叶重复该实验后代的性状不出现一定的分离比。①实验结果显示，母本患条斑病时，该病通过__________________方式遗传。②实验中后代不同性状的个体的比例是随机的，其原因__________________细胞质遗传在进行减数分裂时，细胞质中的遗传物质不能进行有规律的分离，而是随即地、不均等的分配到子细胞中2）实验二P♀绿色叶×条斑叶♂↓F1绿色叶↓〇F2绿色叶条斑叶或白色叶表现型比例3：1重复该实验，后代的性状分离比始终为3：1。实验二结果显示，母本正常时，该病的遗传受_______________的控制。核基因（细胞核）DC细胞质遗传的应用•主要应用于：作物育种在生产上使用杂交种，比使用连年种植的优良品种有更显著的增产作用，作物表现出生长整齐、植株健壮、产量高、抗虫抗病能力强等特点，人们称这种现象为杂种优势。•杂种优势：•杂种为什么会表现出优势？因为杂种可以集合双亲的有利基因而产生杂种优势，并且两个亲本的亲缘关系越远，携带的异质基因越多，杂种优势越明显。优势只表现在F1，而F2自交后会出现性状分离。•杂种优势的遗传特点一杂种优势要保持作物的杂种优势，必须年年配制第一代杂交种。袁隆平和他培育杂交水稻的三系配套法袁隆平院士——杂交水稻之父2001年２月１９日，作为我国奖金额度最高的国家奖、国家最高科学技术奖首次颁发。我国水稻育种专家——袁隆平在20世纪60年代产生了一个梦想？利用雄性不育的“母稻”来生产出水稻的杂交种。什么是雄性不育？植株的雄蕊发育不正常，不能产生可育的花粉，但是雌蕊正常发育，可以接受其他植株的花粉而产生种子，这种现象在遗传学上就被称为雄性不育。同种植物中具有可遗传的雄性不育性状的植株群体叫做雄性不育系。使用雄性不育系育种的优点是什么？免去大量的人工去雄工作，既节省劳动力，又保证杂交种的纯度。这样他踏上的是一条前人没有走过的路。首要任务是必须找到雄性不育植株。1964年7月5日午后2点25分，袁隆平终于发现了第一株天然雄性不育水稻。发现地点：安江农校水稻实验田。水稻品种：洞庭早籼。1965年，“知识十汗水十灵感十机遇”，终于成全了袁隆平的第一份心愿。这一年，他通过对8500多穗，扬花期稻穗的仔细观察，新找到了5株，天然雄性不育水稻，经测算，他得出水稻天然雄性不育的发生概率大约为三千分之一。二三系配套法育种植株的雄蕊发育不正常，不能产生可育的花粉，但雌蕊正常可育，可以接受其他植株的花粉而产生种子，这种现象在遗传学上称为雄性不育。•雄性不育具有可遗传的雄性不育性状的同种植株群体叫做雄性不育系。•雄性不育系二三系配套法育种•植物发生雄性不育的原因（1）雄性是否可育，是由核基因和质基因共同决定的。核基因质基因：可育基因R对不育基因r是显性：可育基因为N，不育基因为S（2）核基因和质基因的关系：质可育基因N可使花粉正常发育；核可育基因R能够抑制细胞质不育基因S的表达，可使花粉正常发育。二三系配套法育种（3）雄性的育性相关基因组成：RRSN(RR)雄性可育N(Rr)雄性可育N(rr)雄性可育RRNS(RR)雄性可育S(Rr)雄性可育S(rr)雄性不育RrNrrNRrSrrS•雄性不育系自身留种：二三系配套法育种rrS♀♂×rrS不育系S(rr)不育系S(rr)rrN保持系N(rr)•雄性不育系自身留种：二三系配套法育种rrN保持系N(rr)保持系：基因型为N(rr)的品种，既能使母本结实，又使后代保持了不育特性，因此叫做雄性不育保持系（简称保持系）。二三系配套法育种rrS♀♂×RrS不育系S(rr)杂交种S(Rr)RRN恢复系N(RR)•雄性不育系培育可育子代的方法•雄性可育系的杂交种：二三系配套法育种恢复系N(RR)恢复系：基因型为N(RR)的品种，能够使雄性不育系的后代恢复可育性，因此叫做雄性不育恢复系（简称恢复系）。RRN二三系配套法育种在杂交育种中，雄性不育系、雄性不育保持系、雄性不育恢复系配套使用，就是三系配套。•什么叫三系配套？使三系植株间的天然授粉顺利进行。•实际生产中要做到三系确实能够配套使用的关键问题是什么？二三系配套法育种1）三系的花期一致。2）保持系和恢复系的植株要比不育系高一些，以便花粉顺利地散落到不育系是花上。•如何使天然授粉顺利进行？1）选种时要考虑到遗传性状符合要求。2）可采取人为喷洒激素的方法改变。如不同浓度的赤霉素可使植株生长受促进或抑制，从而调节植株的高矮和花期。•花期怎么才能一致？植株高矮又如何控制？三两系法杂交水稻技术培育光温敏型雄性不育系，即水稻在长日照、高于临界温度（23℃）时表现为雄性不育；而在短日照、低温时，表现为雄性可育。这种特性使它本身可以自交繁种，从而省略了三系法中的保持系。两系法具有程序简化，周期短，杂种优势更强，增产潜力更大等优点。•两系法杂交水稻技术的关键？细胞核遗传相对独立相互影响细胞质遗传典型实例：紫茉莉质体遗传主要特点：母系遗传，杂交后代不出现一定的分离比形成原因：受精卵中的细胞质几乎全部来自卵细胞。减数分裂时，细胞质中的遗传物质随机、不均等分配物质基础：线粒体、叶绿体等细胞质中的DNA实践应用：三系配套杂交育种小结：1）“杂交水稻之父”袁隆平在20世纪60年代进行了六年的栽培水稻杂交试验，没有获得质核互作的雄性不育株，他从失败中得到的启示是（）A、水稻是自花传粉植物，只能自交B、进行杂交试验的栽培稻的性状不优良C、进行杂交试验所产生的后代不适应当地的土壤条件D、应该用远源的野生雄性不育稻与栽培稻进行杂交练习D2）某农场不慎把保持系和恢复系种到一块地里，则在恢复系上可能获得的种子的基因型是（）A、N(RR)和N(Rr)B、S(rr)和S(Rr)C、N(Rr)和S(Rr)D、N(rr)和N(Rr)练习A3）人们在种植某些作物时，主要是为了获取营养器官，如甜菜。若利用雄性不育系培育这类作物的杂交种，母本和父本在育性上的基因型依次是（）A、S(rr)、N(RR)B、S(rr