高中生物 6.1 杂交育种与诱变育种导学设计 新人教版必修2

 

 

杂交育种与诱变育种

 

　　　　　　　　

 

 

　　　　　　　　　　　　　

 

一、杂交育种

(1)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。

(2)原理：基因重组。

(3)过程：(以高产抗病小麦品种的选育为例)

亲代　 　高产、不抗病×低产、抗病

↓

杂种第一代　　高产、抗病(均为显性性状)

　　                ↓⊗

第二代　　　选出高产、抗病个体

↓连续自交

　选出不发生性状分离的所有高产、抗病个体

↓

新的优良品种

(4)优点：操作简便。

(5)应用：

①在农业生产中，杂交育种是改良作物品质、提高农作物单位面积产量的常规方法。

②可用于家畜、家禽的育种。

二、诱变育种

(1)概念：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。

(2)原理：基因突变。

(3)实例：黑农五号、青霉素高产菌株。

(4)优点：可以提高突变率，在较短时间内获得更多的优良变异类型。

(5)应用：

①在农作物诱变育种方面取得了可喜的成果。

②在微生物育种方面也发挥了重要作用。

一、杂交育种

1．阅读教材P98～99，分析回答下列问题：

(1)古印第安人是最早选择和培育玉米的，最突出的贡献是选育了果穗大、淀粉含量高的玉米，请分析以下问题：

①古印第安人是用什么方法进行玉米育种的？古印第安人是怎样进行“选择”的？

提示：此方法称为选择育种，通过淘汰劣势个体保留优良个体来进行选择的。

②这种育种方法有哪些优点和缺点？

提示：优点：技术简单、容易操作。

缺点：选择范围有限，育种周期长。

(2)已知小麦的高秆(D)对矮秆(d)为显性，抗锈病(T)对易染锈病(t)为显性，两对性状独立遗传。现有高秆抗锈病、矮秆易染锈病两纯系品种，欲培育能稳定遗传的矮秆抗锈病的小麦，请探究下列问题：

①如何使两种优良性状集中在同一个植株上？两种优良性状集中在一个体的实质是什么？

提示：选用分别具有一优良性状的纯合亲本杂交，即可将两种优良性状集中在同一植株上。实质是将控制两种优良性状的基因集中在同一个体内。

②杂交育种的选择从第几代开始？为什么？

提示：从F₂代开始选择；因为从F₂代出现性状分离。

③从F₂中选出矮秆抗锈病的个体，能否立即推广种植，为什么？

提示：不能。因为矮秆抗锈病个体的基因型有ddTT和ddTt两种，其中ddTt的个体自交后会发生性状分离，不能稳定遗传。

④怎样处理才能得到稳定遗传的矮秆抗锈病个体？

提示：从F₂中选出矮秆抗锈病的个体，让其不断自交，在自交后代中逐步淘汰矮秆易染锈病的个体，直到不再发生性状分离，即为要选育的矮秆抗锈病的稳定遗传的纯合子品种——ddTT。

(3)根据上述实例分析杂交育种优缺点。

①由上述实例可知，杂交育种的最大优点是什么？

提示：能将多个优良性状集中到同一个体上。

②依据(2)中实例分析，从亲本到获得可大田推广种植的种子至少需要几年时间？

提示：4年。

③若选育的两种优良性状都是由隐性基因控制的，从F₂代中选出符合要求的个体后，还需要再连续自交吗？

提示：不需要连续自交。因为隐性个体都是纯合子。

④从杂交后代性状类型以及育种时间等方面分析，杂交育种方法的不足。

提示：a.选育工作量大：杂交育种中从子二代开始出现的性状类型多，需要及时发现符合要求的优良性状个体。

b.培育周期长：杂交后代会出现性状分离现象，一般需要的时间较长。

2．判断下列说法的正误

(1)动物杂交育种的过程中常通过连续自交的方式来获得稳定遗传的个体。(×)

(2)杂交育种有操作繁琐、培育周期长等缺点。(√)

(3)杂交育种的后代常表现为杂种优势。(×)

二、诱变育种

我国航天事业发展迅猛，随之开展的航天育种已取得了可喜成果，到目前为止，通过航天工程育种技术培育出了70多个具有稳产、高产性能的新品种、新品系。

根据材料，分析下列问题：

1．诱变育种原理：

航天种子产生的变异属于哪种类型？这种变异是否产生新的基因？这种变异具有什么特点？

提示：属于基因突变；该变异产生了新的基因；由于基因突变具有不定向性，因此变异性状是不可预测的。

2．诱变育种材料选择及处理：

(1)搭载航天器的植物种子需要做怎样处理？说明原因。

提示：浸泡种子使其萌发。因为萌发的种子细胞分裂旺盛，易受到太空诱变因素的影响发生基因突变。

(2)遨游太空回到地面后，种植一代发现没有所需要的性状出现，可以随意丢弃吗？说明原因。

提示：不可以。因为可能发生隐性突变。

3．诱变育种的优缺点：

(1)从育种年限上分析，与杂交育种相比较，诱变育种具有哪些优点？

提示：①可以加速育种进程，缩短育种年限。②提高突变频率，能产生新基因，为育种创造丰富的原材料。③能大幅度改良生物的某些性状。

(2)从基因突变的特点分析，诱变育种有哪些局限性？

提示：由于突变具有不定向性，产生的有利个体少，需要大量处理实验材料。

 

1．杂交育种的原理及几种操作的目的

(1)原理：基因重组。

(2)几种操作目的：

①亲本杂交：将控制两个优良性状的基因集中在同一个体内。

②F₁自交：获得性状分离的F₂代。

③连续自交：选择出符合要求的纯合个体。

2．育种方式的选择

(1)依据：育种目标及要求。

(2)选择方法：

 

3．几种育种方式的比较

 

[特别提醒]　杂交育种只应用于进行有性生殖的生物，而诱变育种不仅能应用于有性生殖的生物，还能应用于无性生殖的生物。单倍体育种主要用于进行有性生殖的植物。

[例]　(2012·江苏高考)科学家将培育的异源多倍体的抗叶锈病基因转移到普通小麦中，育成了抗叶锈病的小麦，育种过程见下图。图中A、B、C、D表示4个不同的染色体组，每组有7条染色体，C染色体组中含携带抗病基因的染色体。请回答下列问题：

(1)异源多倍体是由两种植物AABB与CC远缘杂交形成的后代，经________________________方法培育而成，还可用植物细胞工程中________方法进行培育。

(2)杂交后代①染色体组的组成为________，进行减数分裂时形成________个四分体，体细胞中含有________条染色体。

(3)杂交后代②中C组的染色体减数分裂时易丢失，这是因为减数分裂时这些染色体__________________。

(4)为使杂交后代③的抗病基因稳定遗传，常用射线照射花粉，使含抗病基因的染色体片段转接到小麦染色体上，这种变异称为__________________。

[解析]　(1)植物AABB和CC远缘杂交得到的F₁植株ABC是高度不育的，需经秋水仙素处理诱导其染色体数目加倍，得到AABBCC的异源多倍体可育植株；另外也可利用植物细胞工程中的植物体细胞杂交技术，将AABB和CC的细胞进行融合形成杂种细胞后再经植物组织培养得到可育植株AABBCC。(2)杂交后代①是AABBCC和AABBDD有性杂交得到的，其染色体组的组成为AABBCD，因每个染色体组中含7条染色体，故进行减数分裂时AA和BB能分别形成7个四分体，而C和D不能形成四分体；AABBCD 6个染色体组共含42条染色体。(3)在减数分裂中不能正常进行联会(同源染色体配对)的染色体很容易丢失。(4)抗病基因存在于C组的染色体上，而普通小麦的染色体中不含C组染色体，故含抗病基因的染色体片段转接到小麦染色体上是非同源染色体之间的移接，属于染色体结构变异中的易位。

[答案]　(1)秋水仙素诱导染色体数目加倍　植物体细胞杂交　(2)AABBCD　14　42　(3)无同源染色体配对　(4)染色体结构变异

育种方法的选择

(1)选择育种方法要视具体育种目标要求、材料特点、技术水平和经济因素，进行综合考虑和科学决策：

①保留原有性状，首选无性繁殖；

②一般作物育种可选杂交育种和单倍体育种；

③若检测是否为纯合子用测交或自交方案，测交分离比为1∶1，为首选；若既要检测是否为纯合子同时又要分离纯合子，显性则用“代代自交”，而隐性可直接分离；

④已知多对性状杂合要获得纯合子首选单倍体育种，其次才是自交；

⑤为得到特殊性状可选择诱变育种(不定向)，再进行筛选(如航天育种)或多倍体育种。

(2)从基因组成上看，育种目标基因型可能是：①纯合子，便于制种、留种和推广；②杂合子，充分利用杂种优势。

(3)设计方案时应注意对象是“动物”还是“植物”，雌雄“同体”还是“异体”；同时还应注意是否能获得相应正、反交或自交的父、母本，正、反交或自交能否进行，是否要借助无性繁殖的方法等。

(4)植物杂交育种应注意去雄、套袋(雌雄同花)和授粉等操作。

 

 

 

 

　

1．有两种柑橘，一种果实大但含糖量不高，另一种果实小但含糖量较高，如果想要培育出果实大且含糖量高的品种，比较简单有效的方法是(　　)

A．嫁接　　　　　　　　         B．人工诱变

C．杂交育种                     D．组织培养

解析：两个品种各具一种优良性状，要想使它们集中于一个个体上，据基因重组的原理，科学有效的方法是杂交育种；嫁接、组织培养属无性繁殖，能保持母本的一切性状，不能达到目的；人工诱变能产生新基因，产生新性状，但过程比较繁琐。

答案：C

2．诱变育种与杂交育种的不同之处是(　　)

①能大幅度改良某些性状　②能形成新基因　③能形成新基因型　④一般对个体生存有利

A．①②                         B．①③

C．②③                         D．②④

解析：诱变育种原理是基因突变，基因突变能产生新基因，出现前所未有的新性状；杂交育种原理是基因重组，基因重组是生物原有基因的重新组合，形成新基因型。

答案：A

3．杂交育种中，杂交后代的性状一旦出现就能稳定遗传的是(　　)

A．优良性状                     B．隐性性状

C．显性性状                     D．相对性状

解析：纯合子的性状是稳定遗传的，而显性性状的个体不一定是纯合子，隐性性状的个体一定是纯合子，所以一旦出现即可稳定遗传。

答案：B

4．对下列有关育种方法原理的解释，正确的是(　　)

A．培育无子西瓜利用了单倍体育种的原理

B．杂交育种利用了染色体数目变异的原理

C．培育青霉素高产菌株过程中利用了基因突变的原理

D．四倍体番茄的培育利用了基因重组的原理

解析：三倍体无子西瓜的育种原理为染色体数目变异，杂交育种的原理为基因重组，青霉素高产菌株的培育利用了基因突变的原理，四倍体番茄的培育过程利用了染色体变异的原理。

答案：C

5．利用遗传变异的原理培育作物新品种，在现代农业生产上得到广泛应用。请回答下面的问题：

(1)水稻的大穗(A)对小穗(a)为显性。基因型为Aa的水稻自交，子一代中，基因型为________的个体表现出小穗，应淘汰；基因型为________的个体表现出大穗，需进一步自交和选育。

(2)水稻的晚熟(B)对早熟(b)为显性，请回答利用现有纯合水稻品种，通过杂交育种方法培育纯合大穗早熟水稻新品种的问题。

①培育纯合大穗早熟水稻新品种，选择的亲本基因型分别是________和________。两亲本杂交的目的是________________。

②将F₁所结种子种下去，长出的水稻中表现为大穗早熟的几率是________，在这些大穗早熟植株中约有______是符合育种要求的。

答案：(1)aa　AA或Aa

(2)①AABB　aabb　将基因A和b集中到同一个体上　②3/16　1/3

一、选择题(每小题2分，共16分)

1．下列有关育种的叙述正确的是(　　)

A．单倍体育种的原理是染色体结构的变异

B．人工诱变可培育出合成人生长激素的大肠杆菌

C．种子长成植株过程中会出现基因重组

D．青霉素高产菌株的育成原理为基因突变

解析：单倍体育种过程中用花药离体培养成的植株染色体数目为正常植株的一半，应为染色体数目变异。人工诱变产生新的基因，但不会产生另一个物种的基因。种子长成植株的过程为有丝分裂，不存在基因重组。

答案：D

2．有一种塑料在乳酸菌的作用下能迅速分解为无毒物质，不至于对环境造成严重的白色污染。培育专门吃这种塑料的“细菌能手”的方法是(　　)

A．杂交育种                 B．诱变育种

C．单倍体育种               D．多倍体育种

解析：由于细菌无染色体，也不能进行有性生殖，所以细菌只能有一种变异来源即基因突变。

答案：B

3．可获得无子西瓜、青霉素高产菌株、矮秆抗病小麦的方法分别是(　　)

①诱变育种　②杂交育种　③单倍体育种　④多倍体育种

A．①②④                   B．④①②

C．②①③                   D．④①③

解析：无子西瓜通常用多倍体育种获得，青霉素高产菌株利用诱变育种获得，矮秆抗病小麦利用杂交育种获得。

答案：B

4．在红粒高秆的麦田里，偶然发现一株白粒矮秆优质小麦，欲在两三年内能获得大量的白粒矮秆麦种，通常用的育种方法是(　　)

A．自交(杂交)育种           B．诱变育种

C．人工嫁接                 D．单倍体育种

解析：小麦一般无法用人工嫁接方法，白粒矮秆性状已出现，不需要诱变育种。单倍体育种技术要求高，而小麦的自交(杂交)筛选操作简单，并且可以在两三年内获得大量麦种。

答案：A

5．下列各项措施中，能够产生新基因的是(　　)

A．高秆抗病小麦与矮秆不抗病小麦杂交

B．用秋水仙素处理二倍体西瓜得到四倍体

C．用花药离体培养小麦植株

D．用X射线处理获得青霉素高产菌株

解析：基因突变能产生新的基因，用X射线处理后获得青霉素高产菌株的原理是基因突变，而选项A的原理为基因重组，选项B、C的原理为染色体变异。

答案：D

6．杂交玉米的种植面积越来越广，农民需要每年购买玉米杂交种。不能自留种子来年再种的原因是(　　)

A．自留种子发芽率低

B．杂交种都具有杂种优势

C．自留种子容易患病虫害

D．杂交种的有性繁殖后代会发生性状分离

解析：玉米杂交种为杂合子，杂合子自交后代会发生性状分离，如果留种会造成减产。

答案：D

7．用纯种的高秆(D)抗锈病(T)小麦与矮秆(d)易染锈病(t)小麦培育矮秆抗锈病小麦新品种的方法如下，下列有关此育种方法的叙述中，正确的是(　　)

高秆抗锈病×矮秆易染锈病F₁雄配子幼苗选出符合生产要求的品种

A．过程①的原理为染色体变异

B．过程③必须经过受精作用

C．过程④必须使用秋水仙素处理幼苗

D．此育种方法可选出符合生产要求的品种占1/4

解析：过程①表示杂交，其原理为基因重组。过程③常用的方法为花药离体培养。过程④使用秋水仙素或低温处理幼苗。

答案：D

8．下图表示某种农作物品种①和②培育出⑥的几种方法，有关说法错误的是(　　)

A．经过Ⅲ培育形成④常用的方法是花药离体培养

B．过程Ⅵ常用一定浓度的秋水仙素处理④的幼苗

C．由品种①直接形成⑤的过程必须经过基因突变

D．由品种①和②培育能稳定遗传的品种⑥的最快途径是Ⅰ→Ⅴ

解析：品种①的基因型为AABB，品种②的基因型为aabb，要培育出基因型为AAbb的品种⑥最快的途径应为单倍体育种，所以应为途径Ⅰ→Ⅲ→Ⅵ，而Ⅰ→Ⅴ途径获得的子代中既有纯合体又有杂合体，还需要不断的连续自交进行筛选才能获得需要的品种⑥。

答案：D

二、非选择题(共34分)

9．(12分)下图为某野生植物种群(雌雄同花)中甲植株的A基因(扁茎)和乙植株的B基因(缺刻叶)发生突变的过程。已知A基因和B基因是独立遗传的，请分析该过程，回答下列问题：

(1)简述上述两个基因发生突变的过程：______________________________________

________________________________________________________________________。

(2)突变产生的a基因与A基因的关系是________，a基因与B基因的关系是

________________________________________________________________________。

(3)若a基因和b基因分别控制圆茎和圆叶，则突变后的甲、乙两植株的基因型分别为

________、________，表现型分别为________、________。

(4)请你利用突变后的甲、乙两植株作为实验材料，设计杂交实验程序，培育出具有圆茎圆叶的观赏植物品种。

解析：由图可知这种基因突变是由DNA分子一条链上的一个碱基被取代而引起的基因碱基序列的改变，因此只有以突变链为模板复制产生的DNA分子异常。突变产生的a基因与A基因的关系是等位基因，a基因与B基因的关系是非等位基因。突变后的甲、乙植株基因型分别为AaBB、AABb，培育出同时具有两种优良性状的植株的基因型为aabb，一种思路是两植株先自交，分别得到aaBB、AAbb的植株，再将其进行杂交然后再自交才能达到目的。另一种是先将甲、乙杂交，种植杂交后代，并分别让其自交；分别种植自交后代，从中选择即可。

答案：(1)DNA复制的过程中一个碱基被另一个碱基取代，导致基因的碱基序列发生了改变

(2)等位基因　非等位基因

(3)AaBB　AABb　扁茎缺刻叶　扁茎缺刻叶

(4)方法一：①将这两株植株分别自交；②选取甲子代中表现型为圆茎缺刻叶(aaBB)植株与乙子代中表现型为扁茎圆叶(AAbb)植株进行杂交，获得扁茎缺刻叶(AaBb)植株；③再让扁茎缺刻叶植株自交，从子代中选择圆茎圆叶植株即可。(也可用遗传图解表示)

方法二：①将甲、乙两植株杂交；②种植杂交后代，并分别让其自交；③分别种植自交后代，从中选择同时具有两种优良性状的植株。

10．(12分)普通小麦中有高秆抗病(TTRR)和矮秆易感病(ttrr)两个品种，控制两对性状的基因分别位于两对同源染色体上。实验小组利用不同的方法进行了如下三组实验：

 

 

 

 

请分析回答：

(1)A组由F₁获得F₂的方法是________，F₂矮秆抗病植株中不能稳定遗传的占________。

(2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类矮秆抗病植株中，最可能产生不育配子的是________类。

(3)A、B、C三组方法中，最不容易获得矮秆抗病小麦品种的是________组，原因是

________________________________________________________________________。

(4)通过矮秆抗病Ⅱ获得矮秆抗病小麦新品种的方法是________________________。获得的矮秆抗病植株中能稳定遗传的占________。

(5)在一块高秆(纯合子)小麦田中，发现了一株矮秆小麦。请设计实验方案探究该矮秆性状的出现是基因突变还是环境因素造成的(简要写出所用方法、结果和结论。)

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：(1)A组是杂交育种，F₁高秆抗病(TtRr)自交得F₂，矮秆抗病(ttR__)比例为3/16，其中不能稳定遗传的即杂合子ttRr为2/16，即2/3。

(2)B组中采用F₁的花药进行离体培养得到的矮秆抗病植株属于单倍体，单倍体一般高度不育。

(3)由于C组属于诱变育种，其原理是基因突变，基因突变具有低频性和不定向性，因此不容易获得矮秆抗病植株。

(4)若对单倍体矮秆抗病小麦Ⅱ(tR)进行秋水仙素或低温处理，诱导其染色体数目加倍，即可得到全部为纯合的二倍体(ttRR)。

(5)将矮秆小麦与高秆小麦杂交，若子一代全为高秆，并且子一代高秆小麦自交后，在子二代中出现矮秆小麦，说明矮秆性状是可遗传的变异，即基因突变的结果，若不能遗传则说明是环境改变引起的不可遗传的变异。

答案：(1)自交　2/3　(2)Ⅱ

(3)C　基因突变频率低且不定向

(4)秋水仙素(或低温)诱导染色体加倍　100%

(5)将矮秆小麦与高秆小麦杂交；如果子一代为高秆，子二代高秆∶矮秆＝3∶1(或出现性状分离)，则矮秆性状是基因突变造成的；否则，矮秆性状是环境因素引起的(或将矮秆小麦与高秆小麦种植在相同环境条件下，如果两者未出现明显差异，则矮秆性状是由环境因素引起的，否则，矮秆性状是基因突变的结果)

11．(10分)为了快速培育抗某种除草剂的水稻，育种工作者综合应用了多种育种方法，过程如下。请回答问题。

(1)从对该种除草剂敏感的二倍体水稻植株上取花药离体培养，诱导成________幼苗。

(2)用γ射线照射上述幼苗，目的是________；然后用该除草剂喷洒其幼叶，结果大部分叶片变黄，仅有个别幼叶的小片组织保持绿色，表明这部分组织具有________。

(3)取该部分绿色组织再进行组织培养，诱导植株再生后，用秋水仙素处理幼苗，使染色体____________，获得纯合____________，移栽到大田后，在苗期喷洒该除草剂鉴定其抗性。

(4)对抗性的遗传基础做进一步研究，可以选用抗性植株与________杂交，如果________，表明抗性是隐性性状。F₁自交，若F₂的性状分离比为15(敏感)∶1(抗性)，初步推测____________________________。

解析：二倍体水稻经花药离体培养可形成单倍体幼苗。用γ射线对单倍体幼苗进行照射的目的是诱导产生抗除草剂的水稻幼苗，除草剂处理后叶片仍保持绿色的植株表明组织内含有抗该除草剂的基因。单倍体幼苗经秋水仙素处理后，使其染色体数加倍，从而获得纯合二倍体。选用抗性水稻与敏感水稻进行杂交，如果F₁表现为抗该除草剂，表明抗该除草剂为显性性状，如果F₁表现敏感则表明抗该除草剂为隐性性状。F₁自交后得F₂的性状分离比15∶1，可初步推测水稻的抗除草剂性状由两对基因控制，基因型为双隐性时才表现抗该除草剂，否则表现为敏感型。

答案：(1)单倍体

(2)诱发基因突变　抗该除草剂的能力

(3)加倍　二倍体

(4)(纯合)敏感型植株　F₁都是敏感型　该抗性植株中有两个基因发生了突变