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第3讲从杂交育种到基因工程基础梳理一、杂交育种和诱变育种杂交育种诱变育种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原理基因重组基因突变范围有性生殖的生物所有生物方法杂交→自交→选优→自交物理射线处理、化学诱变剂处理特点①不能产生新基因，原有基因性状的重新组合②育种进程缓慢①提高突变率，加快育种进程②产生新基因，新性状，大幅改良性状③盲目性大，有利变异少思维激活1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并接技术或DNA重组技术操作环境生物体体外操作对象基因操作水平DNA分子水平基本过程剪切、拼接、导入、表达结果定向改造生物的遗传性状，获得人类需要的基因产物2.工具基因的“剪刀”：限制酶基因的“针线”：DNA连接酶基因的运载体：常用的有质粒、噬菌体和动物病毒等，目的是将目的基因送入受体细胞3．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→目的基因的检测与鉴定4．基因工程的应用基因工程与作物育种，如抗虫棉基因工程与药物研制，如胰岛素、乙肝疫苗等基因工程与环境保护，如超级菌分解泄漏石油思维激活2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、λ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。知识整合考点一几种常见育种方法的比较名称原理方法优点缺点举例培育纯合子品种：杂交→自交→筛选出符合要求的表现型，自交到不发生性状分离为止①育种时间一般比较长；②局限于同种或亲缘关系较近的个体；③需及时发现优良品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杂交育种基因重组培育杂合子品种：一般是选取纯合双亲杂交使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上年年制种杂交水稻、杂交玉米等诱变育种基因突变①物理方法：用紫外线、X或γ射线、微重力、激光等处理生物，再筛选；②化学方法：用亚硝酸、硫酸二乙酯处理生物，再筛选提高变异频率，加快育种进程，大幅度改良某些性状盲目性大，有利变异少，工作量大，需要大量的供试材料高产青霉菌单倍体育种染色体数目变异具有不同性状的亲本杂交→F1→花药离体培养，培养出单倍体幼苗→将单倍体幼苗经一定浓度的秋水仙素处理，获得纯合子幼苗→筛选优良性状植株明显缩短育种年限，子代均为纯合子(相对二倍体说的)，加速育种进程技术复杂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多倍体育种染色体数目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→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，有可能引起生态危机转基因抗虫棉跟踪训练1假设A、b代表玉米的优良基因，这两种基因是自由组合的。现有AABB，aabb两个品种，为培育出优良品种AAbb，可采用的方法如图所示。请根据图回答问题。(1)由品种AABB、aabb经过①②③过程培育出新品种的育种方式称为________，其原理是________。用此育种方式一般从_____才能开始选育AAbb个体，是因为________________。(2)若经过程②产生的子代总数为1552株，则其中基因型为AAbb的植株在理论上有________株。基因型为Aabb的植株经过程③，子代中AAbb与aabb的数量比是________。(3)过程⑤常采用________技术得到Ab个体。与过程①②③的育种方法相比，过程⑤⑥的优势是________。(4)过程⑦的育种方式是________，与过程⑦比较，过程④的明显优势是________。解析：本题以图解的形式考查考生的识图、析图能力，并且涉及了相关计算。根据孟德尔自由组合定律，F2中基因型为AAbb的植株占1/16，所以共97株。Aabb自交后代AAbb和aabb的比例为1:1。⑤⑥过程是单倍体育种，包括了花药离体培养和秋水仙素诱导染色体加倍两个步骤，可以明显缩短育种年限。⑦是利用射线，属于诱变育种，过程④与⑦相比，其具有的明显优势是能定向地改造生物的遗传性状。答案：(1)杂交育种基因重组F2从F2开始出现AAbb个体(或从F2开始出现性状分离)(2)971:1(3)花药离体培养明显缩短了育种年限(4)诱变育种过程④产生的变异是定向的(或基因工程育种转入的基因是已知的，用基因工程手段产生的变异是定向的)考点二基因工程的操作工具及基本步骤一、操作工具1．基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶(简称限制酶)(1)分布：主要在微生物体内。(2)特性：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。(3)实例：EcoRⅠ限制酶能专一识别GAATTC序列，并在G和A之间将这段序列切开。(4)切割结果：产生两个带有黏性末端的DNA片段。(5)作用：基因工程中重要的切割工具。在微生物体内能将外来的DNA切断，对自己的DNA无损害。2．基因的“针线”——DNA连接酶(1)催化对象：两个具有相同黏性末端的DNA片段。(2)催化位置：脱氧核糖与磷酸之间的缺口。(3)催化结果：形成重组DNA。3．常用的运载体——质粒(1)本质：小型环状DNA分子(2)作用①作为运载工具，将目的基因送到宿主细胞中去②用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制(3)条件①能在宿主细胞内稳定保存并大量复制②有多个限制酶切点③有标记基因二、对基因工程步骤的五点说明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．将目的基因导入受体细胞，没有涉及碱基互补配对。5．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。特别提醒(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，第二步中还用到DNA连接酶。(2)质粒是最常用的运载体，不要把质粒和运载体等同起来，除质粒外，其他的运载体还有噬菌体、动植物病毒等。跟踪训练22014·山东检测以下说法正确的是()A．所有的限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列B．质粒是基因工程中唯一的运载体C．运载体必须具备的条件之一是：具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接D．DNA连接酶使黏性末端的碱基之间形成氢键解析：限制酶具有专一性，一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列；质粒是基因工程中最常用的运载体，此外还可以用动植物病毒或噬菌体；运载体需要具有多个限制酶切点，以便与外源基因相连接；DNA连接酶作用于黏性末端两单链磷酸与五碳糖之间的磷酸二酯键。答案：C思维点拨：本题考查限制酶、DNA连接酶和运载体的特点和作用实质等知识，要求考生熟练掌握基因工程操作工具的名称、特点、作用实质和作用结果等相关知识。考向一突破“新品种育种方法的选择”育种是解决世界面临的粮食问题的重要手段，根据不同育种需求选择合适的育种方法设计育种方案是常见题型，需引起重视。在解答此类题目时，可依照以下方法进行：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，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。例12014·孝感测试水稻是湖北主要的粮食产物，改善水稻的遗传性状是育种工作者不断努力的目标，如图表示水稻育种的一些途径，请回答下列问题：(1)以矮秆易感病(ddrr)和高秆抗病(DDRR)水稻为亲本进行杂交，得到F1，F1自交产生F2，F2中不能稳定遗传的个体占________，选F2中的矮秆抗病的水稻植株进行自交，子代中ddRR和ddRr的比例是________。(2)若要在较短时间内获得上述新品种水稻，可选图中________(用数字和箭头填空)途径所用的方法。其中⑦途径的常用方法是________。(3)科学工作者欲培育能产生人体蛋白的水稻新品种，应该选择图中________(用数字和箭头填空)表示的途径最为合理可行，该技术手段主要包括的过程：提取目的基因、________、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。有人对该育种方式的安全性表示担忧，你的观点及理由如何？_______________。(4)图中________(用数字和箭头填空)所表示的育种途径具有典型的不定向性。解析图中①→②为诱变育种，③→④为基因工程育种，⑤→⑥为杂交育种，⑤→⑦→⑧为单倍体育种，⑨→⑩为多倍体育种，⑪→⑫为细胞工程育种。(1)用矮秆易感病(ddrr)和高秆抗病(DDRR)水稻杂交，得到F1(DdRr)，F1自交产生F2，F2中不能稳定遗传的个体占1—4/16＝3/4。F2中矮秆抗病水稻为1/3ddRR、2/3ddRr，自交后子代中ddRR占1/3＋2/3×1/4＝1/2，ddRr占2/3×1/2＝1/3，故ddRR：ddRr＝3:2。(2)要尽快获得矮秆抗病类型新品种，应该采用单倍体育种的方式，即图中⑤→⑦→⑧表示的技术手段。将F2经过花药离体培养后，便可以得到单倍体植株。(3)培育能产生人体蛋白的水稻新品种，应该用基因工程的育种方式，所遵循的原理是基因重组，包括提取目的基因、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。(4)诱变育种的原理是基因突变，基因突变具有不定向性，故这种育种途径具有典型的不定向性。答案(1)3/43：2(2)⑤→⑦→⑧花药离体培养(3)③→④目的基因与运载体结合转基因生物不安全，要严格控制；转基因生物是安全的，应该大范围推广；等等……(开放性试题，答案合理即可)(4)①→②考向二基因工程本考点必修内容侧重转基因技术的基本操作、工具及安全性，深入考查基因工程的原理、过程及其应用则是选修三的高考要求。从历年高考命题来看，全国卷及各省市卷都有具体要求和较固定的命题模式(有的为必考，有的为选考)。备考时应按本省市具体高考要求有的放矢的进行复习和训练。例2根据基因工程的有关知识，回答下列问题。(1)限制性内切酶切割DNA分子后产生的片段，其末端类型有________和________。(2)质粒运载体用EcoRⅠ切割后产生的片段如下：AATTC……GG……CTTAA为使运载体与目的基因相连，含有目的基因的DNA除可用EcoRⅠ切割外，还可用另一种限制性内切酶切割，该酶必须具有的特点是________。(3)按其来源不同，基因工程中所使用的DNA连接酶有两类，即________DNA连接酶和________DNA连接酶。(4)反转录作用的模板是________，产物是________。若要在体外获得大量反转录产物，常采用________技术。(5)基因工程中除质粒外，________和________也可作为运载体。(6)若用重组质粒转化大肠杆菌，一般情况下，不能直接用未处理的大肠杆菌作为受体细胞，原因是_____________。解析此题考查基因工程应用的相关知识。(1)