精品学案高三生物一轮复习：从杂交育种到基因工程(人教版必修二)

精品学案高三生物一轮复习：从杂交育种到基因工程(人教版必修二)

从杂交育种到基因工程 一、必备知识梳理 ‎（一）、杂交育种和诱变育种 ‎1：两者的比较 ‎ 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 ‎ ‎2：练一练 ‎（2008·江苏卷，23）下列关于育种的叙述中，正确的是 （ ）‎ ‎ A.用物理因素诱变处理可提高突变率 B.诱变育种和杂交育种均可形成新的基因 ‎ C.三倍体植物不能由受精卵发育而来 D.诱变获得的突变体多数表现出优良性状 ‎ 解析：物理因素如射线可以提高基因的突变率；杂交育种的原理是基因重组，并没有形成新的基因；三倍体是指由受精卵发育而来，体细胞中含有三个染色体组的个体，如三倍体无 子西瓜；诱变育种的原理是基因突变，而基因突变是不定向的。‎ 答案：A ‎（二）、基因工程及其应用 ‎1.概念的理解 基因工程别名 基因拼接技术或 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 ‎ 提醒（1）、基因工程的原理：基因重组。‎ ‎（2）、优点：①与杂交育种相比较明显的优点：克服远缘杂交不亲合障碍。‎ ‎②与诱变育种相比较明显的优点：定向改造生物性状，目的强性。‎ 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、噬菌体和动植物病毒等，目的是将 目的 基因送入 受体 细胞 ‎ ‎ ‎2、工具 ‎3、步骤：‎ 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 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→目的基因的表达和检测 ‎4 、 基因工程的应用：‎ 提醒 ‎（1）基因工程操作工具酶只有两种，工具有三种。‎ ‎（2）操作步骤中只有第三步导入受体细胞不涉及到碱基互补配对，其余三步都涉及到。‎ ‎5、练一练 ‎ 下列属于基因工程工具酶的是 （ ）‎ ‎①限制性核酸内切酶 ②DNA水解酶 ③DNA聚合酶④DNA连接酶⑤RNA聚合酶⑥解旋酶 ‎ A.①④ B.①②③‎ ‎ C.①③④⑤⑥ D.①②③④⑤⑥‎ ‎ 解析：基因工程的工具是限制性核酸内切酶、 DNA连接酶和载体（载体不是酶），DNA水解酶将DNA水解；DNA聚合酶是DNA复制时使用的酶，RNA聚合酶与RNA聚合酶结合位点结合，使转录开始；解旋酶使DNA解成单链。‎ 答案A ‎（三）、构建知识网络 ‎ ‎ 依据原理 常用方法 优点 缺点 举例 杂交育种 基因重组 杂交→自交→选育→自交 将不同个体的优良性状集中于一个个体上 时间长，需及时发现优良品种 矮秆抗锈病小麦 诱变育种 基因突变 辐射诱变，激光诱变，作物空间技术育种 可以提高变异的频率，加速育种进程，大幅度地改良某些品种 有利变异少，需大量处理实验材料 青霉素高产菌株、太空椒 单倍体育种 染色体变异 花药离体培养获得单倍体，再经秋水仙素或低温诱导处理 可以明显地缩短育种年限 技术复杂且需与杂交配合 快速培育矮秆抗锈病小麦 二、常见考点 考点一：几种常见育种方式的比较 多倍体育种 染色体变异 秋水仙素处理萌发的种子、幼苗 器官巨大，提高产量和营养成分 发育延迟，结实率低 三倍体无子西瓜、八倍体小黑麦 基因工程育种 基因重组 转基因（DNA重组）技术将目的基因引入生物体内，培育新品种 定向改变生物的性状；克服远缘杂交不亲和的障碍 有可能引起生态危机 产生人胰岛素的大肠杆菌、抗虫棉 细胞融合技术 细胞膜流动性、细胞全能性 让不同生物细胞原生质融合，同种生物细胞可融合为多倍体 按照人们意愿改变细胞内遗传物质或获得细胞产品且克服了远缘杂交不亲和的障碍 技术难 度高 白菜—甘蓝、番茄—马铃薯 细胞核移植技术 细胞核的全能性 将具备所需性状的体细胞核移植到去核的卵细胞中 可改良动物品种或保护濒危物种 技术要求高 克隆羊、鲤鲫移核鱼 ‎（一）深化拓展 ‎1.诱变育种与杂交育种相比，前者能产生前所未有的新基因，创造变异新类型；后者不能产生新基因，只是实现原有基因的重新组合。‎ ‎2.在所有育种方法中，最简捷、常规的育种方法——杂交育种。‎ ‎3.根据不同育种需求选择不同的育种方法 ‎ （1）将两亲本的两个不同优良性状集中于同一生物体上，可利用杂交育种，亦可利用单倍体育种。‎ ‎ （2）要求快速育种，则运用单倍体育种。‎ ‎ （3）要求大幅度改良某一品种，使之出现前所未有的性状，可利用诱变育种和杂交育种相结合的方法。‎ ‎ （4）要求提高品种产量，提高营养物质含量，可运用多倍体育种。‎ ‎4.杂交育种选育的时间是F2，原因是从F2开始发生性状分离；选育后是否连续自交取决于所选优良性状是显性还是隐性。‎ ‎5.杂交育种是通过杂交培育具有优良性状且能稳定遗传（纯合子）的新品种，而杂种优势则是通过杂交获得种子，一般不是纯合子，在杂种后代上表现出多个优良性状，但只能用杂种一代，因为后代会发生性状分离。‎ ‎6.诱变育种尽管能提高突变率，但处理材料时仍然是未突变的远远多于突变的个体；突变的不定向性和一般有害的特性决定了在突变的个体中有害仍多于有利，只是与自然突变相比较，二者都增多。‎ ‎（二）对位训练 ‎1.下面为6种不同的育种方法。据图回答下列问题:‎ ‎(1)图中A至D方向所示的途径表示 ‎ 育种方式，这种方法属常规育种，一般从F2代开始选种，这是因为 。A→B→C的途径表示育种方式，这两种育种方式中后者的优越性主要表现在 。（2）B常用的方法为 。‎ ‎（3）E方法所用的原理是 ，所用的方法如 、 。育种时所需处理的种子应是萌发的（而非休眠的）种子，原因是 。‎ ‎（4）上述育种过程中，哪两个过程所使用的方法相同？ （填写字母），具体使用的方法有 (至少回答两个)，其作用机理是 。‎ ‎（5）G过程原理是 ，H和I分别表示 和 过程。‎ ‎（6）K→L→M这种育种方法的优越性表现在 。‎ ‎（7）上述A～I过程中，哪些过程作用前后没有改变作用对象的基因型 ？（填写字母）。‎ 解析 方法1应为杂交育种，它的可操作性最强，但育种周期最长；方法2为单倍体育种，其最大优点为明显缩短育种周期；方法3为诱变育种，这种方法获得新品种的速度最快，但因有利变异往往不多，需大量处理实验材料；方法4为多倍体育种，它可获得性状改良的多倍体；方法5为转基因技术即基因工程育种，它可定向改造生物性状获得新品种；方法6为细胞工程育种，它可克服远缘杂交不亲和的障碍，培育生物新品种。‎ 答案（1）杂交 从F2代开始发生性状分离 单倍体 明显缩短育种年限 （2）花药离体培养 （3）基因突变 X射线、紫外线、激光 亚硝酸、硫酸二乙酯、秋水仙素（理化因素需各说出一项）种子萌发后进行细胞分裂，DNA在复制过程中可能由于某种因素的影响发生基因突变 （4）C、F低温处理和秋水仙素处理 抑制纺锤体形成，导致染色体不能移向两极而加倍 （5）基因重组 脱分化 再分化 （6）克服了远缘杂交不亲和的障碍，大大扩展了可用于杂交的亲本范围 （7）H、I 考点二 基因工程的操作工具和步骤 ‎(一)、深化拓展 ‎1.基因工程操作工具 ‎（1）基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶（简称限制酶）‎ ‎ ①分布：主要在原核生物体内。‎ ‎ 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，能将外来的DNA切断，对自己的DNA（要不五次序列，要不就是被特异性的甲基化酶甲基化）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：a.作为运载工具，将目的基因送到宿主细胞中去；‎ b.用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。‎ ‎③条件：a.能在宿主细胞内稳定保存并大量复制；‎ b.有多个限制酶切点；‎ c.有标记基因。‎ ‎2.基因工程操作步骤图解 提醒 （1）微生物常做受体细胞的原因是因其繁殖速度快、代谢旺盛、目的产物多。‎ ‎（2）目的基因表达的标志：通过转录翻译合成出相应的蛋白质。‎ ‎（二）、对位训练 ‎2.基因工程是在现代生物学、化学和工程学基础上建立和发展起来的，并有赖于微生物学理论和技术的发展，现在基因工程在动植物育种上有广泛而重要的应用。基因工程基本操作流程如下图，请据图分析回答：‎ ‎（1）图中A是 ，最常用的是 ；在基因工程中，需要在 酶的作用下才能完成剪接过程。‎ ‎（2）在上述基因工程的操作过程中，可以遵循碱基互补配对原则的步骤有 （用图解中序号表示）。‎ ‎（3）不同种生物之间的基因移植成功，从分子水平分析，进行基因工程的主要理论依据是 ‎ ，也说明了生物共用一套 。‎ ‎（4）研究中发现，番茄体内的蛋白酶抑制剂对害虫的消化酶有抑制作用，导致害虫无法消化食物而被杀死，人们成功地将番茄的蛋白酶抑制剂基因导入玉米体内，玉米获得了与番茄相似的抗虫性状，玉米这种变异的来源是 。‎ ‎（5）科学家在某种植物中找到了抗枯萎病的基因，并用基因工程的方法将该基因导入金茶花叶片细胞的染色体DNA上，经培养长成的植株具备了抗病性，这说明 。如果把该基因导入叶绿体DNA中，将来产生的配子中 (填“一定”或“不一定”)含有抗病基因。‎ 解析 (1)基因工程中需要的酶有：限制性核酸内切酶和DNA连接酶，很容易漏掉一种酶。(2)解题的关键点是“可以”遵循碱基互补配对的步骤。获取目的基因的方法主要有直接分离法和人工合成法，人工合成法包括mRNA逆转录和蛋白质氨基酸序列推测法，人工合成目的基因涉及碱基互补配对。另外，过程②拼接和过程④目的基因扩增和筛选也涉及碱基互补配对。‎ ‎(3)审题有两个方面：①基因移植成功，②分子水平分析。分子水平就是要求考虑DNA结构——都是双链结构，碱基都是按照相同的互补配对原则进行配对。外源基因能够在不同生物体细胞内表达，说明基因表达的过程中共用一套遗传密码子进行翻译，也说明基因表达都遵循中心法则。(5)植株具备了抗病性说明已经产生了相应的蛋白质，从而获得新的性状，即基因已经表达。叶绿体中的DNA遗传不遵循孟德尔定律，无法确定是否将目的基因传递给配子。‎ 答案 （1）运载体 质粒 限制性核酸内切酶和DNA连接（2）①②④ （3）不同生物的DNA结构基因形式相同 密码子 （4）基因重组 ‎ ‎（5）目的基因（抗枯萎病的基因）已表达 不一定 三、解题思路探究 ‎（一）思维误区警示 ‎1、易错分析：对基因工程中一些观点说法辨析不清 ‎（1）限制性内切酶和DNA连接酶的作用部位都是脱氧核苷酸之间形成的磷酸二酯键（不是氢键），只是一个切开，一个连接。‎ ‎ （2）质粒是最常用的运载体，不要把质粒同运载体等同，除此之外，噬菌体和动植物病毒也可作为运载体。运载体的化学本质为DNA，其基本单位为脱氧核苷酸。‎ ‎ （3）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。‎ ‎（4）DNA酶即DNA水解酶，是将DNA水解的酶；DNA聚合酶是在DNA复制过程中，催化形成新DNA分子的酶，是将单个游离的脱氧核苷酸加到DNA片段上，需要模板；但DNA连接酶是将两个DNA片段的两个缺口同时连接，不需要模板，两者作用的化学键相同，都是磷酸二酯键。‎ ‎ （5）原核生物基因（如抗虫基因来自苏云金芽孢杆菌）可为真核生物（如棉花）提供目的基因。‎ ‎ （6）限制酶在第一步和第二步操作中都用到，且要求同一种酶，目的是产生相同的黏性末端；第二步中两种工具酶都用到。‎ ‎ （7）受体细胞动物一般用受精卵，植物若用体细胞则通过组织培养的方式形成新个体。‎ ‎ （8）抗虫棉只能抗虫，不能抗病毒、细菌。‎ ‎（二）纠正训练 ‎1.要将目的基因与运载体连接起来，在基因操作上应选用 （ ）‎ ‎ A.只需DNA连接酶 B.同一种限制酶和DNA连接酶 ‎ C.只需限制酶 D.不同的限制酶与DNA连接酶 ‎ 解析 要将目的基因与载体连接起来，应选用同一种限制酶切割目的基因和载体，两者暴露出相同的黏性末端，用DNA连接酶连接时，碱基之间才会按碱基互补配对形成氢键，相邻两个脱氧核苷酸之间在DNA连接酶的作用下形成磷酸二酯键。答案：B ‎ ‎2.下列关于限制酶和DNA连接酶的理解正确的是 （ ）‎ ‎ A.其化学本质都是蛋白质 ‎ B.DNA连接酶可以恢复DNA分子中的氢键 ‎ C.它们不能被反复使用 ‎ D.在基因工程操作中可以用DNA聚合酶代替DNA连接酶 ‎ 解析 限制酶与DNA连接酶的化学本质都是蛋白质；DNA连接酶连接的是两个DNA片段间相邻两个碱基间的磷酸二酯键；酶在化学反应前后其数量、性质、功能均不发生改变，因此可以反复利用；DNA聚合酶是在细胞内DNA 分子复制时发挥作用的，不能替代DNA连接酶。答案：A 四、知识综合应用 重点提示：通过“生物育种方式有关知识”的考查，提升“理论联系实际，综合运用所学知识解释自然界和社会生活中的一些生物学现象”的能力。‎ 典例分析 （2009·广东卷，33）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 （1）花药中含有未受精的生殖细胞，其发育成的个体为单倍体。‎ ‎（2）用 γ射线照射上述幼苗，幼苗易发生基因突变，可能产生符合生产的新类型；然后用该除草剂喷洒其幼叶，个别幼叶的小片组织保持绿 色，表明这部分组织抗除草剂。‎ ‎（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，使染色体加倍，从而获得纯合的抗除草剂植株。‎ ‎（4）对抗性遗传基础做进一步研究，可以选用抗性植株与敏感性植株杂交，如果后代全部为敏感性植株，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），表明抗性性状由两对基因控制，且两对基因均为隐性纯合时才表现为抗性，其他基因型表现为敏感性。‎ 答案 （1）单倍体 （2）使幼苗产生基因突变 抗除草剂能力 （3）数目加倍 抗性植株 ‎ ‎（4）敏感性植株 F1个体全为敏感性植株 该抗性性状由两对基因共同控制，且两对基因均隐性纯合时，植株表现抗性，其余表现敏感性