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第20讲　染色体变异与育种
第七单元 生物的变异、育种与进化
一.新课标——内容要求
课标要求
染色体变异的类型和遗传学效应
完成本模块学习后，学生应该能够：
●基于证据，论证可遗传的变异来自基因重组、基因突变和染色体变异（科学思维、科学探究）
●运用遗传与变异的观点，解释常规遗传学技术在现实生产生活中的应用（生命观念、社会责任）
课标要求
二.新课标——学业要求
【分析情景】在自然界，几乎全部动物和过半数的高等植物都是二倍体。作为野生植物的后代，许多栽培植物的染色体数目却与他们的祖先大不相同，如下表中的马铃薯和香蕉。而且这些栽培植物与野生植物相比，在性状上也有许多差异，有些结实率低甚至不育。
染色体变异
生物种类 体细胞染色体数/条 体细胞非同源染色体/套 配子染色体数/条 几倍体
马铃薯 野生祖先种 24 2
栽培品种 48 4
香蕉 野生祖先种 22 2
栽培品种 33 3
12
24
11
异常
二倍体
四倍体
二倍体
三倍体
问题①：根据前面所学减数分裂的知识，试着完成该表格，阐述染色体组、多倍体的概念。
染色体变异
一.染色体组
1、概念：细胞中的一组非同源染色体，在形态和功能上各不相同，但又相互协调，共同控制生物的生长、发育、遗传和变异，这样的一组染色体，叫做一个染色体组。
①从染色体组成看，一个染色体组中_______________。
②从形态、大小和功能看，一个染色体组中所含的染色体_________。
③从所含的基因看，一个染色体组中含有控制本物种生物性状的__________，但不能重复。
不含同源染色体
各不相同
全套基因
【思维拓展1】：染色体组的组成还可以用什么形式表示呢？思考一下几个问题：
（1）甲、乙、丙、丁4个细胞中，染色体组的数目依次为________________。
（2）蜜蜂中的雄蜂是由卵细胞直接发育形成的，则雄蜂是_________倍体；卵细胞能发育成完整个体的原因是_______________________________________
___________________________。
（3）如果含丙细胞的生物由受精卵发育而来，则该生物属于________倍体；如果其由配子直接发育而来，则其属于_________倍体；无论哪种情况，该生物都______________(填“不可育”或“可育”）的，原因是_____________
_____________________________________________________________。
1、2、3、2
染色体变异
单
卵细胞中含有一个染色体组，含有控制该生物的生长、发育、遗传的全套遗传信息
三
单
不可育
在减数分裂时联会紊乱，不能形成正常的配子
染色体组的概念：
1.定义：细胞中的一组非同源染色体，在形态和功能上各不相同，但又相互协调，共同控制生物的生长发育、遗传变异（携带着控制生物生长发育、遗传变异的全部遗传信息）。这样的一组染色体，叫做一个染色体组
3.判断方法：
根据染色体形态：
根据基因型：
根据染色体数目/染色体形态数目
2.实例：果蝇精子中的四个染色体是一个染色体组，雄果蝇体细胞中有两个染色体组
《创新设计》P146
只能判断同源多倍体的染色体组数目
染色体变异
项目 单倍体 二倍体 多倍体
概念
植株特点
2、单倍体、二倍体和多倍体
体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体
由受精卵发育而来，体细胞中含有两个染色体组的个体
一般由受精卵发育而来，体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体
(1)植株弱小
(2)高度不育
(1)茎秆粗壮
(2)叶片、果实和种子较大
(3)营养物质含量丰富
正常可育
染色体变异
一倍体一定是单倍体吗
单倍体一定是一倍体吗
直接发育成生物体：单倍体
雌配子
雄配子
直接发育成生物体：单倍体
合子
(受精卵)
生物体
二倍体
多倍体
①由合子（受精卵）发育来的个体，细胞中含有几个染色体组，就叫几倍体；
②由配子直接发育来的，不管含有几个染色体组，都只能叫单倍体 。
如何区分二倍体、多倍体和单倍体
不一定
一定
单倍体
形成
类型
一倍体：由二倍体物种产生
多单倍体：由多倍体物种产生
概念：体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体
一般是由未受精的配子发育而来。常用花药和子房培养法；蜜蜂的雄蜂由未受精的卵细胞发育而来
其他途径形成：如种间或属间杂交，子代来自一个亲本的染色体全部丢失；用辐射或化学方法处理体细胞。
染色体变异
问题②：解释栽培种马铃薯和栽培种香蕉形成的原因？
1.栽培种四倍体马铃薯形成的原因
（1）若二倍体马铃薯幼苗进行有丝分裂时受到外界环境剧烈变化（如低温等）的影响，不能形成纺锤体，使已分开的染色体不能移到细胞两极，细胞不能分裂，导致细胞中染色体数目加倍。由染色体数加倍的细胞发育而成的植株，即为四倍体马铃薯。或由该植株产生含两个染色体组的雌雄配子结合形成四倍体植株。
（2）若二倍体马铃薯在减数分裂时，受到环境因素剧烈变化的影响，不能形成纺锤体，形成含两个染色体组的配子，如果两个含有两个染色体组的雌雄配子结合，发育成的个体即为四倍体马铃薯。
染色体变异
问题②：解释栽培种马铃薯和栽培种香蕉形成的原因？
2.栽培种香蕉形成的原因
（1）若二倍体香蕉减数分裂出现错误，形成含两个染色体组的配子，如果这样的配子与含有一个染色体组的正常配子结合，发育成的个体即为三倍体香蕉。
染色体变异
问题②：解释栽培种马铃薯和栽培种香蕉形成的原因？
1.栽培种香蕉形成的原因
（2）若二倍体香蕉由于受到外界环境剧烈变化的影响，形成了四倍体香蕉，四倍体香蕉与二倍体香蕉杂交，会产生含有三个染色体组的子代即为三倍体香蕉。
二倍体
四倍体
三倍体
染色体变异
问题③：解释栽培种香蕉无子的原因，与野生植物相比在性状上哪些差异？如何人工培育多倍体？
多倍体特点：与野生二倍体相比，多倍体植株的特点是：茎秆粗壮，叶片、果实和种子较大，糖类和蛋白质等营养物质含量都有所增加。
无子原因：三倍体香蕉的原始生殖细胞中有三个染色体组，减数分裂时出现联会紊乱，一般不能产生可育的配子，因此一般不能形成受精卵，胚珠就不能发育为种子。
人工诱导多倍体：目前最常用且最有效的方法是用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗。也可用低温处理。
原理：秋水仙素（或低温）作用于正在分裂的细胞时，能够抑制纺锤体的形成，导致染色体不能移向细胞两极，从而引起细胞内染色体数目加倍。染色体数目加倍的细胞继续进行有丝分裂，就可能发育为多倍体植株。
三倍体香蕉如何繁殖？
进行无性繁殖如分根和组织培养
染色体变异
秋水仙素诱导多倍体形成原因：
抑制纺锤体的形成使染色体数目加倍
多倍体的形成：
染色体加倍
F1染色体加倍
杂交
同源三倍体
普通小麦的形成过程
AA
一粒小麦
BB
山羊草
DD
另一种山羊草
AB
杂交种不育
A
配子
B
配子
ABD
AB
配子
D
配子
杂交种不育
AABBDD
自然加倍
二粒小麦
AABB
自然加倍
普通小麦
（异源多倍体42）
注：这也是物种形成的一种方式。
适应和
自然选择
多倍体
同源多倍体：由同一物种染色体数目加倍形成的。
异源多倍体：不同物种杂交产生的杂种后代经过染色体加倍形成的
概念：一般由受精卵发育而来，体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体
类型
染色体变异
结构变异：缺失、重复、倒位、易位
数目变异
染色体组
二倍体
多倍体
单倍体
细胞中个别染色体数目的增加或减少
原因：在减数分裂或有丝分裂过程中个别染色体不分离
实例：21三体综合征
细胞中染色体组成倍增加或减少
概念
人工诱导多倍体育种
植株特点
概念
植株特点
单倍体育种
最有效方法：用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗
原理：抑制纺锤体形成，使染色体不能移向细胞两极
方法：花药离体培养→染色体加倍
优点:单倍体幼苗加倍后是纯合子，可以大大缩短育种年限
染色体变异
问题④：怎样观察栽培品种发生了染色体数目变异？如果显微镜下观察到断裂的染色体片段，说明什么？
染色体变异
问题④：怎样观察栽培品种发生了染色体数目变异？如果显微镜下观察到断裂的染色体片段，说明什么？
●制作野生种和栽培品种的根尖或芽尖分生区细胞制作有丝分裂装片，在光学显微镜下观察，比较二者有丝分裂中期染色体形态和数目。
制作装片（同有丝分裂实验）
①解离：盐酸和酒精混合液（1：1混合），目的是使组织中的细胞相互分离开来。
②漂洗：清水漂洗，目的是洗去药液，防止解离过度。
③染色：用龙胆紫或醋酸洋红溶液对染色体染色。
④制片：放在载玻片上，加清水并用镊子把根尖弄碎，盖上盖玻片，用拇指轻轻地按压盖玻片完成制片。
染色体变异
（实验）低温诱导植物染色体数目的变化（课本p88）
改良苯酚品红染液外,还有龙胆紫溶液、醋酸洋红液等试剂
固定细胞形态
洗去卡诺氏液
应选择根尖分生区进行观察,该区的细胞特点是细胞呈正方形,排列紧密。
卡诺氏液 解离液
作用
成分
联系 固定细胞形态（迅速穿透细胞，将其固定并维持染色体结构的完整性，还能够增强染色体的嗜碱性，达到优良染色效果）
使组织的细胞相互分离（酒精能迅速杀死细胞固定细胞的分裂相，盐酸能溶解胞间层的果胶使细胞分离）
无水酒精3份:冰醋酸1份
或无水乙醇6份，氯仿3份，冰醋酸(乙酸）1份。
酒精溶液（体积分数95%) 1份，盐酸（质量分数15%) 1 份，二者混合即成。
在有丝分裂的实验中，解离液的酒精其实就有固定的作用，只是为了简化实验程序，省去了单独的固定步骤。先用卡诺氏液固定再用盐酸解离效果更好。
染色体变异
问题④：怎样观察栽培品种发生了染色体数目变异？如果显微镜下观察到断裂的染色体片段，说明什么？
说明：在细胞分裂过程中，由于受到环境因素或内部因素的影响，细胞中的染色体会发生断裂或愈合现象，导致发生染色体结构变异。
断裂不愈合
缺失，断裂片段丢失
接到非同源染色体上
中间断裂后颠倒180°再愈合
倒位
接到正常同源染色体上
重复
易位
玉米的糊粉层细胞核为3n，基因C（有色）对c（无色）为显性。基因型为Ccc的糊粉层是有色的，但是科学家发现，CC（♂）×cc（♀）杂交后，有些玉米子粒的糊粉层是花斑的，即有色组织和无色组织掺杂在一起。这是什么原因呢？
（1）一个基因型为Ccc的糊粉层细胞核，在C基因座位旁的染色体片段有断裂
（2）这个核的前期，带有座位C的两个染色单体在断裂端融合。
（3）后期，双着丝粒的染色单体形成一个桥，其他染色单体以正常方式分离
（4）两个后期核，桥断裂，一个核的座位C缺失，另一个核座位C重复。前者的表型是无色的，后者的表型是有色的。
断裂-融合-桥的循环可在糊粉层组织发育过程中继续下去，导致花斑的出现。
（2020山东卷6）在细胞分裂过程中，末端缺失的染色体因失去端粒而不稳定，其姐妹染色单体可能会连接在一起，着丝点分裂后向两极移动时出现“染色体桥”结构，如下图所示。若某细胞进行有丝分裂时，出现“染色体桥”并在两着丝点间任一位置发生断裂，形成的两条子染色体移到细胞两极。不考虑其他变异，关于该细胞的说法错误的是（ ）
A. 可在分裂后期观察到“染色体桥”结构
B. 其子细胞中染色体的数目不会发生改变
C. 其子细胞中有的染色体上连接了非同源染色体片段
D. 若该细胞基因型为Aa，可能会产生基因型为Aaa的子细胞
【答案】C
染色体变异
【思维拓展2】：下图中，甲乙丙丁为四种染色体结构变异，①②③④为发生结构变异后的染色体在四分体时期出现的异常联会结构，abcd为四种由于染色体结构变异引起的生物异常性状，请结合染色体结构变异的相关知识，找到三者的对应关系，并说明理由。
a.果蝇的缺刻翅 b.猫叫综合症 c. 果蝇的棒状眼 d.人类慢粒白血病
缺失b片段
重复b片段
倒位（ab片段颠倒）
易位
染色体易位 交叉互换
图解
区 别 位 置 发生于非同源染色体之间 发生于同源染色体的非姐妹染色单体之间
原 理 染色体结构变异 基因重组
观 察 可在显微镜下观察到 在显微镜下观察不到
易位和交叉互换的比较：
染色体结构变异的影响：染色体结构变异会使排列在染色体上的基因的数目或排列顺序发生改变，从而导致性状的改变。大多不利，甚至死亡。
染色体变异
“三看法”判断基因突变和染色体变异
基因突变、基因重组用光学显微镜观察不到
细胞水平的变异
分子水平变异
染色体变异
染色体结构变异
缺失：染色体缺失某一片段
重复：染色体增加某一相同片段
倒位：染色体某一片段颠倒。
易位：染色体某一片段接到非同源染色体上
类型
遗传学效应
使排列在染色体上的基因的数目或排列顺序发生改变，从而导致性状的变异
大多数染色体结构变异对生物体不利，有的甚至会导致生物体死亡
缺失：
a
1.含有缺失染色体的配子一般不育，如猫叫综合征。
2.导致染色体上多个基因减少，轻则影响个体生活力，严重的引起生物体死亡。
3.可使隐性基因表现出来，
紫色纯合子（PlPl）和绿色纯合子（plpl）杂交，子代出现少量绿色植株，可能的原因是什么？
1基因突变（Pl→pl）
2染色体缺失（Pl片段缺失）
3染色体数目变异（Pl染色体丢失）
1.增加了多个相同基因，也会影响表现型，如果蝇的棒眼就是X染色体重复的结果。如果重复部分太大，可能影响生活力，甚至导致死亡。
2.但重复的基因不定向突变，可能产生新基因。
重复：
重复
1.倒位杂合子形成的配子大多异常，从而影响个体的育性。
2.倒位纯合子可能和原物种形成生殖隔离，从而形成新物种。
倒位：
1.相互易位能产生部分不育配子。
2.易位纯合子可能形成新物种。
易位：
易位（相互易位）
比较项目 基因突变 基因重组 染色体变异
1范围
2时间
3原因
减一前、减一后
细胞分裂（有、无、减）过程中，细胞不分裂时。
所有生物、有性生殖、无性生殖
真核生物的核基因、有性生殖
真核生物、有性生殖、无性生殖
外部因素（物、化、生）、内部因素
减数分裂时染色体自由组合、交叉互换
外部因素（射线、化学药剂、温度剧变等）、内部因素（代谢失调等）
任何时候，但主要在DNA复制时
比较项目 基因突变 基因重组 染色体变异
4实质
5类型
6结果
基因结构的改变（碱基对的替换、增添、缺失）
原有基因重新组合
染色体结构和数目变化
产生新基因、改变DNA序列，可能改变表现型。不改变基因数目和位置，
产生新基因型，出现新性状组合（表现型），不产生新基因和新性状
改变染色体上的基因数目和排列顺序，结构变异可改变DNA序列，可能改变表现型
自发突变和诱发突变；显性突变和隐性突变
自由组合、交换重组
结构变异、数目变异
比较项目 基因突变 基因重组 染色体变异
7特点
8意义
9鉴定
光镜下不可见，杂交实验，基因诊断
光镜下不可见，杂交实验
显微镜检测
普遍性、随机性、不定向性、低频性、多害少利性
普遍性、随机的、不定向的，一定正常发生
普遍性、随机的、不定向的、低频性、大多有害
是产生新基因的途径、是变异的根本来源、是生物进化的原始材料
是子代多样性的主要原因、是生物进化的原始材料，加快进化速度
是生物变异来源之一、是进化的原始材料
1. （2021年广东卷11）白菜型油菜（2n=20）的种子可以榨取食用油（菜籽油）。为了培育高产新品种，科学家诱导该油菜未受精的卵细胞发育形成完整植株Bc。下列叙述错误的是 （ ）
A.Bc成熟叶肉细胞中含有两个染色体组
B.将Bc作为育种材料，能缩短育种年限
C.秋水仙素处理Bc幼苗可以培育出纯合植株
D.自然状态下Bc因配子发育异常而高度不育
A　
课堂演练
课堂演练
2. （2021年广东卷16） 人类（2n=46）14号与21号染色体二者的长臂在着丝点处融合形成14/21平衡易位染色体，该染色体携带者具有正常的表现型，但在产生生殖细胞的过程中，其细胞中形成复杂的联会复合物（如图），在进行减数分裂时，若该联会复合物的染色体遵循正常的染色体行为规律（不考虑交叉互换），下列关于平衡易位染色体携带者的叙述，错误的是 （ ）
A. 观察平衡易位染色体也可选择有丝分裂中期细胞
B. 男性携带者的初级精母细胞含有45条染色体
C. 女性携带者的卵子最多含24种形态不同的染
色体
D. 女性携带者的卵子可能有6种类型（只考虑
图中的3种染色体）
C　
变式：（2013 福建卷 T5）某男子表现型正常，但其一条14 号和一条21 号染色体相互连接形成一条异常染色体，如图甲。减数分裂时异常染色体的联会如图乙，配对的三条染色体中，任意配对的两条染色体分离时，另一条染色体随机移向细胞任一极。下列叙述正确的是
【答案】D
【解析】图甲看出，一条14 号和一条21 号染色体相互连接时，还丢失了一小段染色体，明显是染色体结构变异，A 错误；观察染色体的最佳时期是中期，B 错误；减数分裂时同源染色体发生分离，应该产生13 和2 和1 和23 和12 和3 六种精子，C 错误；该男子减数分裂时能产生正常的精子，自然可以产生正常的后代，D 正确。
A.图甲所示的变异属于基因重组
B.观察异常染色体应选择处于分裂间期的细胞
C.如不考虑其他染色体，理论上该男子产生的精子类型有8 种
D.该男子与正常女子婚配能生育染色体组成正常的后代
3．（2021·浙江真题）野生果蝇的复眼由正常眼变成棒眼和超棒眼，是由于某个染色体中发生了如下图所示变化，a、b、c表示该染色体中的不同片段。棒眼和超棒眼的变异类型属于染色体畸变中的 （ ）
A．缺失 B．重复 C．易位 D．倒位
B　
4．（2020·浙江真题）某条染色体经处理后，其结构发生了如图所示的变化。这种染色体结构的变异属于 （ ）
A．缺失 B．倒位 C．重复 D．易位
B　
课堂演练
5．（2019·浙江高考真题）某种染色体结构变异如图所示。下列叙述正确的是 （ ）
A．染色体断片发生了颠倒
B．染色体发生了断裂和重新组合
C．该变异是由染色单体分离异常所致
D．细胞中的遗传物质出现了重复和缺失
B　
6．（2017·江苏高考真题19）一株同源四倍体玉米的基因型为Aaaa，其异常联会形成的部分配子也可受精形成子代。下列相关叙述正确的是（ ）
A．上图表示的过程发生在减数第一次分裂后期
B．自交后代会出现染色体数目变异的个体
C．该玉米单穗上的籽粒基因型相同
D．该植株花药培养加倍后的个体均为纯合子
B　
课堂演练
7．（2020·北京高考真题13）为培育具有市场竞争力的无籽柑橘，研究者设计如下流程。相关叙述不正确的是 （ ）
A．过程①需使用胰蛋白酶处理 B．实现过程②依赖膜的流动性
C．过程③需应用植物组培技术 D．三倍体植株可产生无籽柑橘
A　
课堂演练
考点二
变异在育种中的应用
【分析情景】已知在小麦的性状控制中，D(高杆)对d(矮杆)显性,T(抗病)对t(感病)显性。现有两种普通的小麦，一种的基因型是DDTT，另一种的基因型是ddtt。
问题①：假如你是育种专家，尝试利用普通的小麦得到良种小麦(ddTT)？请简要介绍你的育种方案。(用遗传图解和必要的文字表示）



育种
1.杂交育种：亲本杂交→F1自交→选择F2矮秆抗病的植株继续自交→得到ddTT纯合子。
3.诱变育种：用射线或化学药剂处理ddtt种子→ 种植→选择矮秆抗病植株→继续自交得到纯合子。
2.单倍体育种：亲本杂交→ F1花药离体培养→获得单倍体幼苗→秋水仙素处理使染色体加倍→选择矮秆抗病的植株。
4.基因工程：从DDTT植株获取T基因→ 与运载体结合→转移到ddtt的体细胞→ 经植物组织培养成转基因植株 →选择培育出ddTT纯合子。
【分析情景】已知在小麦的性状控制中，D(高杆)对d(矮杆)显性,T(抗病)对t(感病)显性。现有两种普通的小麦，一种的基因型是DDTT，另一种的基因型是ddtt。
问题②：现在需要培育具有固氮功能的小麦，请你利用你所学的知识简要介绍你的育种方案。(用文字和箭头表示）
育种
基因工程：从固氮微生物细胞中获取固氮基因→ 与运载体结合后→转移到小麦体细胞中→经植物组织培养获得转基因植株→再选择培育出固氮小麦。
育种
方案一：
花药离体培养→
P
高杆抗病
DDTT
×
矮杆感病
ddtt
F1
高杆抗病
DdTt
配子
DT
Dt
dT
dt
DT
Dt
dT
dt
DDTT
DDtt
ddTT
ddtt
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↓
纯合体
秋水仙素→
单倍体育种
第1年
第2年
选择矮抗品种
方案二：
P
高杆抗病
DDTT
×
矮杆感病
ddtt
F1
高杆抗病
DdTt
↓
F2
D_T_
D_tt
ddT_
ddtt
ddTT
杂交育种
↓
第1年
第2年
第3~6年
×
×
选择矮抗
需要的矮抗品种
P
高杆抗病
DDTT
×
矮杆感病
ddtt
F1
高杆抗病
DdTt
↓
F2
D_T_
D_tt
ddT_
ddtt
ddTT
杂交育种
↓
第1年
第2年
第3~6年
×
×
矮抗
需要的矮抗品种
方案一：
亲本杂交→F1自交→F2选择→自交（动物：测交）
能集中不同品种中的优良性状，即“集优”
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。
基因重组
3.常用方法：
1.概念：
2.原理：
4.优点：
5.缺点：
①育种周期长，过程繁琐；
6.应用：
农作物、家禽、家畜的育种
（可以进行有性生殖的生物个体）
育种
花药离体培养→
P
高杆抗病
DDTT
×
矮杆感病
ddtt
F1
高杆抗病
DdTt
配子
DT
Dt
dT
dt
DT
Dt
dT
dt
DDTT
DDtt
ddTT
ddtt
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↓
纯合体
秋水仙素→
单倍体育种
第 1 年
第 2 年
需要的矮抗品种
方案二：
④缺点:
技术复杂且需与杂交育种配合
① 原理：
② 过程与方法：
染色体变异
花药离体培养 + 秋水仙素（恢复育性）
花药离体培养
恢复正常植株
单倍体植株
秋水仙素
③优点:
明显缩短育种年限
育种
方案三：诱变育种
P DDTT(高杆抗病)
γ射线
DdTT 高抗
×
ddTT 矮抗
Ｐ ddtt（矮杆感病）
γ射线
ddTt 矮感
×
ddTT 矮抗
利用物理因素（如X射线，紫外线，激光等）或化学因素（如亚硝酸等）处理生物，使生物发生基因突变。
基因突变
1.概念：
2.原理：
育种
提高突变率，在短时间内获得更多的优良变异类型
有利变异少，需大量处理实验材料
3.优点：
4.缺点：
基因工程育种
原 理：
操作水平：
操作环境：
结 果：
基因重组
DNA分子水平
生物体外
定向地改造生物的性状，获得人类所需要的品种。
一、基因工程概念：又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。
优 点：
①目的性强，育种周期短；
②克服远缘杂交不亲和的生殖障碍。
通俗的说，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，定向地改造生物的性状。
基因工程
基因工程育种
基因工程
1. 不同生物的基因为什么能拼接？
2. 外源基因为什么能在受体细胞中表达出同样的蛋白质？
（1）基因一般是有遗传效应的DNA片段。
（2）不同生物的基因的遗传信息的传递都遵循中心法则。
（3）密码子具有通用性，生物界共用一套遗传密码。相同的遗传信息在 不同的生物体内表达出相同的蛋白质。
（1）基因是有遗传效应的DNA片段；
（2）不同生物的DNA的结构基本相同：基本组成单位都是四种脱氧核苷酸，空间结构都是规则的双螺旋结构。
1.获取目的基因（固氮基因）
2.将目的基因与运载体结合
3.将目的基因导入受体细胞（小麦细胞）
4.目的基因的检测和鉴定
基因工程（二）操作步骤
（三）基因工程的操作工具：1.基因的剪刀—限制性核酸内切酶
作用
一种限制酶只能识别双链DNA特定的核苷酸序列，并在特定的切点切割DNA分子（即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）
基因工程
要想获得某个特定性状的目的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性或平末端？
（三）基因工程的操作工具：2. “分子缝合针”——DNA连接酶
幻灯片 8
作用
将两个双链DNA片段连接起来，形成磷酸二酯键
（三）基因载体
作用
条件
种类
应用
将外源基因送入受体细胞。
1有一个或多个限制酶切割位点，供外源基因插入。
2能自我复制或整合到受体细胞的染色体DNA上，使目的基因能在宿主细胞中稳定保存并复制
3有某些标记基因（如抗生素抗性基因），供重组DNA的鉴定和选择
4载体DNA必需是安全的，不会对受体细胞有害
5载体DNA分子大小应适合，以便提取和在体外进行操作，太大就不便操作。
最常用的载体：
质粒
其他载体：λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等（注意宿主专一性）
天然质粒要经过改造才能用于基因工程
质粒：
能复制并带着插入的目的基因一起复制
有切割位点
有标记基因的存在，可用含氨苄青霉素的培养基选择。
独立于细菌拟核DNA之外的，具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子。
幻灯片 16
基因工程
概念和实例
操作工具
操作过程
理论基础
优缺点
1.DNA是遗传物质的发现（肺炎双球菌转化实验的启示）
2.DNA的双螺旋结构的发现和基因本质的发现
4.遗传密码的破译（遗传密码具有通用性）
3.中心法则的确立（DNA半保留复制、转录、翻译）
限制酶
DNA连接酶
基因载体
作用、条件、种类
识别双链DNA特定的核苷酸序列，并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
将两个双链DNA片段连接成新的DNA
1.获取目的基因（固氮基因）
2.将目的基因与运载体结合
3.将目的基因导入受体细胞（小麦细胞）
4.目的基因的检测和鉴定
转基因食品的安全性问题
安全性问题产生的原因
1.对基因的结构、基因间的相互作用及基因的调控机制了解有限
2.转移的是异种生物的基因
3.外源基因插入宿主细胞的基因组的部位是随机的
担心转基因食品安全的理由
有毒蛋白
新过敏原
营养成分改变
动物蛋白侵犯素食者权益
经过严格安全性评估的转基因食品是安全的
不用担心的理由：
育种：
育种
原理
基因突变
基因重组
染色体变异
诱变育种
杂交育种
基因工程育种
多倍体育种
单倍体育种
克隆技术
植物组织培养
动物体细胞核移植技术
保持亲本性状
生殖方式
有性生殖
无性生殖
分裂生殖、营养生殖等
培育具有优良性状的生物新类型（新品种或新物种）
技术
技术
技术
扦插等
技术 实例 1概念 原理 方法步骤 优点 缺点
杂交育种
将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起，再经过选择培育，获得新品种的方法
基因重组
培育矮秆抗病小麦
亲本杂交
F1自交
F2选择
逐代自交选择
纯合品种
杂交种子
1能集中多个亲本的优良性状；2操作简单
1亲本选择范围较窄（同物种）；2不能产生新基因；3育种年限长
技术 实例 1概念 原理 方法步骤 优点 缺点
诱变育种
高产青霉素菌株
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。
基因突变
处理材料
选择培育
1能提高突变率；2在较短时间内获得更多的优良变异类型
1不定向，有利变异少;2需大量处理材料
技术 实例 1概念 原理 方法步骤 优点 缺点
基因工程
产生人胰岛素的大肠杆菌、抗虫棉
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。
基因重组等
获取目的基因
构建表达载体
导入受体细胞
检测和鉴定
1打破物种障碍；2定向改造生物性状；
1技术复杂;2可能带来安全问题
方法 原理 常用方法 优点 缺点 代表实例
多倍体 育种
单倍体 育种
三倍体无子西瓜、八倍体小黑麦
所得品种发育迟缓，结实率低；在动物中无法开展
秋水仙素处
理萌发的
种子或幼苗
染色体
变异　
“京花1号”小麦
技术复杂，需要与杂交育种配合
明显缩短育种年限
花药离体培养→单倍体幼苗→秋水仙素处理→正常植株
染色体变异　
生物变异在育种上的应用
各种器官大、营养成分增加
(1)在普通小麦的形成过程中，杂种一是高度不育的，原因_____________________________________。
已知普通小麦是杂种二染色体加倍形成的多倍体，普通小麦体细胞中有______条染色体。一般来说，与二倍体相比，多倍体的优点是_____________ ______ _
(答出2点即可)。
(2)若要用人工方法使植物细胞染色体加倍，可采用的方法有__________________(答出1点即可)。
(3)现有甲、乙两个普通小麦品种(纯合体)，甲的表现型是抗病易倒伏，乙的表现型是易感病抗倒伏。若要以甲、乙为实验材料设计实验获得抗病抗倒伏且稳定遗传的新品种，请简要写出实验思路。
1．(2020·全国卷Ⅲ)普通小麦是目前世界各地栽培的重要粮食作物。普通小麦的形成包括不同物种杂交和染色体加倍过程，如图所示(其中A、B、D分别代表不同物种的一个染色体组，每个染色体组均含7条染色体)。在此基础上，人们又通过杂交育种培育出许多优良品种。回答下列问题：
一粒小麦×斯氏麦草
　　　　(AA)　 　(BB)
　　　　　 　　↓
　　　　 　　杂种一
　　　　　 　　↓
　　　拟二粒小麦×滔氏麦草
　　　　　　(AABB)　 　(DD)
　　　　　　　　　　↓
　 　　　　　　　　杂种二
　 　　　　　　　　　↓
　 　 　 　　　　　普通小麦
　 　　　　 　　　(AABBDD)
无同源染色体，不能进行正常的减数分裂
42
营养物质含量高、茎秆粗壮
秋水仙素处理
创新设计P148
课堂演练
1．研究人员在柑橘中发现一棵具有明显早熟特性的变异株，决定以此为基础培育早熟柑橘新品种。 请回答下列问题:
（1）要判断该变异株的育种价值，首先要
确定它的_______________物质是否发生
了变化。
（2）在选择育种方法时，需要判断该变异
株的变异类型。如果变异株是个别基因的突
变体，则可采用育种方法①，使早熟基因逐
渐_______________，培育成新品种1。为
了加快这一进程，还可以采集变异株的
_______________进行处理，获得高度纯合
的后代，选育成新品种2，
这种方法称为_______________育种。
遗传
单倍体
纯合
花药
课堂演练
1．研究人员在柑橘中发现一棵具有明显早熟特性的变异株，决定以此为基础培育早熟柑橘新品种。 请回答下列问题:
（3）如果该早熟植株属于染色体组变异株，
可以推测该变异株减数分裂中染色体有多种
联会方式，由此造成不规则的_______________
，产生染色体数目不等、生活力很低的
______________，因而得不到足量的种子。即
使得到少量后代，早熟性状也很难稳定遗传。
这种情况下，可考虑选择育种方法③，其不
足之处是需要不断制备_______________，成本
较高。
（4）新品种1与新品种3均具有早熟性状，
但其他性状有差异，这是因为新品种1选育
过程中基因发生了多次_______________，
产生的多种基因型中只有一部分在选育过程中保留下来。
染色体分离
基因重组
配子
组培苗
课堂演练
2．（2019·天津卷，改编）图(a)中的三个DNA片段上依次表示出了EcoRⅠ、BamHⅠ和Sau3AⅠ三种限制性内切酶的识别序列与切割位点，图(b)为某种表达载体的示意图(载体上的EcoRⅠ、Sau3AⅠ的切点是唯一的)。图（d）B基因存在于水稻基因组中，其仅在体细胞（2n）和精子中正常表达，但在卵细胞中不转录。为研究B基因表达对卵细胞的影响，设计了如下d图所示实验。将该序列与Luc基因（表达的荧光素酶能催化荧光素产生荧光）连接成融合基因（表达的蛋白质能保留两种蛋白质各自的功能），然后构建重组表达载体。根据基因工程的有关知识，回答下列问题：
图（c）
课堂演练
图（c）
（1）经BamHⅠ酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被________________酶切后的产物连接，理由是__________________________________________________。
（2）若某人利用图(b)所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子，如图(c)所示，这三种重组子中，不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有________，不能表达的原因是____________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
Sau3AⅠ　
两种酶切割后产生的黏性末端是相同（或互补）的
甲、丙　
甲中目的基因插入在启动子的上游，丙中目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录
课堂演练
图（d）
（4）B基因在水稻卵细胞中不转录，推测其可能的原因是卵细胞中 （单选）。
A．含B基因的染色体缺失 B．DNA聚合酶失活
C．B基因发生基因突变 D．B基因的启动子无法启动转录
（5）获得转基因植株过程中，以下鉴定筛选方式正确的是 （多选）。
A．将随机断裂的B基因片段制备成探针进行DNA分子杂交
B．以Luc基因为模板设计探针进行DNA分子杂交
C．以B基因编码蛋白的序列为模板设计探针与从卵细胞提取的mRNA杂交
D．检测加入荧光素的卵细胞中是否发出荧光
D
BCD　
聆
谢
听
谢

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