第1、2节　
杂交育种与诱变育种
基因工程及其应用

高频考点突破
实验专题探究
第2节　生命活动的主要承担者—蛋白质
基础自主梳理
命题视角剖析
即时达标训练
基础自主梳理
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_____和_____，获得新品种的方法。
2．原理：________。
3．过程：选择具有不同优良性状的亲本→_______，获得F1→F1自交或杂交→获得F2→_____________需要的类型，优良品种。
选择
培育
基因重组
杂交
鉴别、选择
4．优点：可以把多个品种的优良性状集中在一起。
5．缺点：获得新品种的周期____。
6．意义：根据需要培育理想类型。
思考感悟
1．在杂交育种中，如果新品种是杂合子，如玉米、水稻应注意什么？如果新品种是纯合子，如小麦应该注意什么？
【提示】　在杂交育种中，如果新品种是杂合子，每年都要育种。如果新品种是纯合子，要通过多代自交淘汰杂合子。
长
二、诱变育种
1．概念：利用物理因素或化学因素来处理生物，使生物发生__________，从而获得优良变异类型的育种方法。
2．原理：___________。
3．过程：选择生物→诱发基因突变→选择__________→培育。
4．优点
(1)可以提高__________，在较短时间内获得更多的优良变异类型。
基因突变
基因突变
理想类型
突变频率
(2)大幅度地改良某些性状。
5．缺点：诱发产生的突变，_____的个体往往不多，需处理大量材料。
6．意义：培育具有新性状的品种。
7．应用：培育优良品种。
三、基因工程
1．概念：又叫基因拼接技术或_________技术。通俗地说，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，______地改造生物的遗传性状。
2．原理：不同生物间的________。
有利
DNA重组
定向
基因重组
3．基本工具
(1)基因的剪刀：_________________。
(2)基因的针线：_____________。
(3)基因的运载体：常用的有______、噬菌体和动植物病毒等。
4．操作步骤
提取___________
　↓
目的基因与_________结合
　↓
将目的基因导入__________
　↓
目的基因的_____________
限制性核酸内切酶
DNA连接酶
质粒
目的基因
运载体
受体细胞
表达和检测
5．应用
(1)作物育种：利用基因工程的方法，获得高产、稳产和具有优良品质的农作物，培育出具有各种抗逆性的作物新品种，如_______等。
(2)药物研制：利用基因工程的方法，培养转基因生物，利用转基因生物生产出各种高质量、低成本的药品，如胰岛素、__________、乙肝疫苗等。
(3)环境保护：如利用转基因细菌降解有毒有害的化合物，吸收环境中的重金属，分解泄漏的石油，处理工业废水等。
抗虫棉
干扰素
思考感悟
2．DNA连接酶与DNA聚合酶和DNA酶有什么不同？
【提示】　DNA连接酶是连接的DNA片段。DNA聚合酶是在DNA复制时，将单个的脱氧核苷酸连接成DNA分子。DNA酶的作用是水解DNA。
高频考点突破
【易误警示】　杂种优势不同于杂交育种，杂种优势是杂交子一代所表现的优良性状。
即时应用(随学随练，轻松夺冠)
1．(2011年深圳调研)如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：选D。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。
【拓展深化】　①传统意义上的基因重组：只能发生在进行有性生殖的同种生物之间；对基因重组使生物体性状发生变异这一现象来说，减数分裂形成不同类型配子是因，而受精作用产生不同性状的个体则是果。
②基因重组分类：
分子水平的基因重组(如通过对DNA的剪切、拼接而实施的基因工程)；
染色体水平的基因重组(减数分裂过程中同源染色体上非姐妹染色单体交叉互换，以及非同源染色体自由组合下的基因重组)；
细胞水平的基因重组(如动物细胞融合技术以及植物体细胞杂交技术的大规模基因重组)。
即时应用(随学随练，轻松夺冠)
2．(2010年高考浙江卷)在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作错误的是(　　)
A．用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸
B．用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体
C．将重组DNA分子导入烟草原生质体
D．用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞
解析：选A。构建重组DNA分子时，需用同种限制性核酸内切酶切割目的基因和载体，再用DNA连接酶连接形成重组DNA分子，而烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，所以A项错误。重组DNA分子形成后要导入受体细胞(若是植物细胞，则可导入其原生质体)，若导入的受体细胞是体细胞，经组织培养可获得转基因植物。目的基因为抗除草剂基因，所以未成功导入目的基因的细胞不具有抗除草剂的能力，可用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞。
实验专题探究
杂交育种实验
1．培育杂合子品种——杂种优势的利用
在农业生产上，可以将杂种一代作为种子直接利用，如水稻、玉米等。
(1)基本步骤：选取双亲P(♀、♂)→杂交→F1。
(2)特点：高产、优质、抗性强，但种子只能种一年。
2．培育纯合子品种
(1)培育隐性纯合子品种的基本步骤
选取双亲P(♀、♂)→杂交→F1→自交→F2→选出表现型符合要求的个体种植推广。
(2)培育双显纯合子或一隐一显杂合子品种的基本步骤
选取双亲P(♀、♂)→杂交→F1→自交→F2→选出表现型符合要求的个体自交→F3→……→选出稳定遗传的个体推广种植。
(3)特点：操作简单，但需要的时间较长。
实战演练(专项提能，小试牛刀)
现有两个小麦品种，一个纯种小麦的性状是高秆(D)，抗锈病(T)；另一个纯种小麦的性状是矮秆(d)，易染锈病(t)。两对基因独立遗传。育种专家提出了如图所示的Ⅰ、Ⅱ两种育种方法以获得小麦新品种。问：
(1)要缩短育种年限，应选择的方法是____________，依据的原理是____________；另一种方法的育种原理是________________________________________________________________________。
(2)图中①和④基因组成分别为____________和________。
(3)(二)过程中，D和d的分离发生在________________________________________________________________________；
(三)过程采用的方法称为__________；(四)过程最常用的化学药剂是____________。
(4)(五)过程产生的抗倒伏抗锈病植株中的纯合子占________；
如果让F1按(五)、(六)过程连续自交2代，则⑥中符合生产要求的能稳定遗传的个体占________。
(5)如将方法Ⅰ中获得的③⑤植株杂交，再让所得到的后代自交，则后代的基因型比例为________________________________________________________________________。
解析：图中(一)过程属于杂交过程，作用是把矮秆和抗病性状组合到一个植株上。图中(二)是F1种下后，开花时产生花粉(雄配子)的过程中要进行减数分裂，两对等位基因自由组合后产生4种配子(DT、Dt、dT、dt)。根据图中可知，①的基因型是DT，②的基因型是dT。图中(三)是培养单倍体的过程，一般用花药离体培养的方法获得单倍体植株。图中(四)是诱导染色体增倍的过程，常用的方法是用秋水仙素处理单倍体幼苗，经诱导后长成的植物体一定是纯合子，仔细分析图，可得出图中的③④⑤对应的基因型是DDtt、ddTT和ddtt。Ⅰ属于单倍体育种，Ⅱ是杂交育种。
图中(五)过程是指F1自交的过程，其后代中的矮秆抗锈病植株的表现型虽符合要求，但其中能稳定遗传的纯合子只有1/3，还有2/3是杂合子，不能稳定遗传，其基因型是ddTT(1/3)和ddTt(2/3)。如果再让其自交一代，各种基因型比例的计算方法是：ddTT自交后代仍是ddTT，占总数1/3；ddTt自交后代中的基因及其比例是：ddTT(1/4)、ddTt(2/4)、ddtt(1/4)，占总数2/3。所以计算总结果是：ddTT＝1/3＋(1/4)×(2/3)＝1/2，ddTt＝(2/4)×(2/3)＝1/3，ddtt＝(1/4)×(2/3)＝1/6，其中ddTT符合生产要求。
题中第(5)小题的计算方法是：③⑤的基因型分别是DDtt和ddtt，因为两个体中的第二对基因都是tt，不论是自交还是杂交，对后代基因型的比例都没有影响，所以只要考虑DD和dd就可以了。
答案：(1)Ⅰ　染色体变异　基因重组
(2)DT　ddTT
(3)减数分裂第一次分裂后期　花药离体培养　秋水仙素
(4)1/3　1/2　(5)DDtt∶Ddtt∶ddtt＝1∶2∶1
命题视角剖析
几种育种方法的比较
传统的农作物育种方法一般是杂交育种，如图为抗旱小麦的几种不同育种方法示意图。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，其育种原理是______________。
(2)若改良缺乏抗旱性状的小麦品种，不宜直接采用________的方法进行育种，但可选用图中A至B途径，再通过此方法达到育种目的。
(3)由G、H→J过程涉及的生物工程技术有______。
【思路点拨】　解决此类问题要抓好以下关键点：
关键点
(1)根据图中信息正确判断育种的基本方法和基本原理；
(2)掌握染色体变异和基因突变的判断方法。
【尝试解答】　(1)杂交　基因重组
(2)单倍体育种　(3)基因工程(或基因拼接技术或DNA重组技术或转基因技术)和植物组织培养技术
【解析】　(1)杂交育种的原理是基因重组，通过杂交使不同亲本的优良性状集于一体，对于显性基因控制的性状，再通过连续自交，直到不发生性状分离才能获得生产需要的新品种。
(2)因为缺乏抗旱性状的小麦品种没有抗旱基因，植株通过减数分裂产生的雄配子中不存在抗旱基因，因此用花药离体培养方法直接处理没有抗旱基因的亲本不会达到目的。
(3)G表示转基因技术，H→J表示植物组织培养技术。
育种方法的选择
(2010年高考安徽卷)如下图所示，科研小组用60Co照射棉花种子，诱变当代获得棕色(纤维颜色)新性状，诱变1代获得低酚(棉酚含量)新性状。已知棉花的纤维颜色由一对基因(A、a)控制，棉酚含量由另一对基因(B、b)控制，两对基因独立遗传。
(1)两个新性状中，棕色是________性状，低酚是________性状。
(2)诱变当代中，棕色、高酚的棉花植株基因型是______，白色、高酚的棉花植株基因型是______。
(3)棕色棉抗虫能力强，低酚棉产量高。为获得抗虫高产棉花新品种，研究人员将诱变1代中棕色、高酚植株自交，每株自交后代种植在一个单独的区域，从________________的区域中得到纯合棕色、高酚植株。请你利用该纯合体作为一个亲本，再从诱变l代中选择另一个亲本，设计一方案，尽快选育出抗虫高产(棕色、低酚)的纯合棉花新品种(用遗传图解和必要的文字表示)。
【尝试解答】　(1)显性　隐性
(2)AaBB　aaBb
(3)不发生性状分离(或全为棕色棉，或没有出现白色棉)
【解析】　(1)因为诱变当代中的棕色、高酚性状个体自交发生性状分离，出现白色、高酚性状，故棕色为显性性状，白色为隐性性状；白色、高酚性状个体自交也发生性状分离，出现白色、低酚性状，故高酚为显性性状，低酚为隐性性状。
(2)根据显隐性关系以及诱变1代的性状表现，可以推断诱变当代中的棕色、高酚的棉花植株基因型为AaBB，而白色、高酚的棉花植株基因型为aaBb。
(3)由题意知，纯合棕色、高酚植株的基因型是AABB，需要培育的类型是棕色、低酚植株，其基因型是AAbb，则另一个亲本的基因型是aabb，最快的育种方法是单倍体育种。即由以上两个亲本杂交得到F1，取F1的花粉进行花药离体培养得到单倍体幼苗，再用秋水仙素处理单倍体幼苗，从其后代中选出棕色、低酚性状的植株就是所要选育的新品种。
对基因工程中一些观点说法辨析不清
(1)限制性核酸内切酶和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)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。
(3)限制酶在第一步和第二步操作中都用到，且要求用同一种酶，目的是产生相同的黏性末端；第二步中两种工具酶都用到。
(4)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。
(5)抗虫棉只能抗虫，不能抗病毒、细菌。
自我挑战DNA连接酶和限制酶分别作用于图中的(　　)
A．①③　　　　　　　　　　
B．④④
C．②②
D．①④
【尝试解答】　__B__
【解析】　两种酶都作用于核苷酸之间形成的磷酸二酯键，而非氢键等其他化学键。
即时达标训练
高考热点集训（6）
——生物 育种
1．(2011年北京东城区期末测试)用高秆抗锈病(DDTT)和矮秆不抗锈病(ddtt)的二倍体水稻品种进行育种时，方法一是杂交得到F1，F1再自交得到F2，然后选育所需类型；方法二是用F1的花药进行离体培养，再用秋水仙素处理幼苗得到相应植株。下列叙述正确的是(　　)
A．方法一所得F2中重组类型、纯合子各占3/8、1/4
B．方法二所得植株中纯合子、可用于生产的类型比例分别为1/2、1/4
C．方法一和方法二依据的主要原理分别是基因重组和染色体结构变异
D．方法二的最终目的是获得单倍体植株，秋水仙素可提高基因突变频率
解析：选A。考查学生对基因的自由组合定律的应用。由题目信息联想到基因的自由组合定律和单倍体育种的知识，两个亲本的基因型是DDTT和ddtt，为双显性和双隐性纯合子，可知其子二代中重组类型、纯合子各占3/8、1/4是正确的。单倍体育种所得子代均为纯合子，B错；单倍体育种依据的主要原理是染色体数目的变异，C错；单倍体育种的最终目的是获得符合生产要求的纯合植株，D错；故选A。
A．过程②通常使用的试剂是秋水仙素，作用时期为有丝分裂间期
B．通过过程①得到的植株A的基因型为aaBB的可能性为1/4
C．过程①属于植物的组织培养，在此过程中必须使用一定量的植物激素
D．与杂交育种相比，该育种方法的优点是能明显缩短育种年限
解析：选CD。单倍体育种过程中常用秋水仙素处理使染色体数目加倍，秋水仙素作用的时期是有丝分裂前期而不是间期；植物体(AaBb)通过减数分裂得到AB、Ab、aB、ab四种类型的配子，各占1/4，通过过程①得到的植物A仍然是单倍体；植物组织培养过程中 ，诱导脱分化再分化需要添加一定量的植物激素；单倍体育种可明显缩短育种年限。
3．(2011年湖北襄阳第一次模拟)在自然界谷物中，水稻、玉米等都具有糯性，而小麦没有糯性。江苏某农科所通过江苏自火麦与日本关东107、美国IKE等种间杂交后获得糯性基因，再用其后代与扬麦158品种进行多次回交，将糯性品质固定在扬麦158品种上，培育出糯性小麦。相关的育种过程如图。下列叙述正确的是(　　)
A．上述材料中，江苏某农科所培育糯性小麦的过程中运用的遗传学原理是基因突变
B．要想在短时间内获得糯性小麦的育种方法是a，此方法能提高突变率
C．a、c过程都需要使用秋水仙素，都作用于萌发的种子
D．要获得yyRR，b过程需要进行不断地自交来提高纯合率，理论上F2中获得yyRR的几率是1/16
解析：选D。由题意可知，糯性小麦是通过种间杂交及多次回交后获得的。杂交与回交都是亲代通过减数分裂产生重组型的配子，雌雄配子经过受精作用产生子代，此过程的遗传学原理是基因重组；a过程属于单倍体育种，其特点是能够明显缩短育种年限；c过程为多倍体育种；单倍体育种与多倍体育种都需要使用秋水仙素，前者处理的是幼苗，后者处理的是萌发的种子或幼苗；b过程是杂交育种，可通过不断连续自交淘汰发生性状分离的个体，不断提高纯合率，F1基因型为YyRr，两对基因分别位于两对同源染色体上，F2中yyRR的几率是1/16。
4．为获得纯合高蔓抗病番茄植株，采用了下图所示的方法：
图中两对相对性状独立遗传。据图分析，不正确的是(　　)
A．过程①的自交代数越多，纯合高蔓抗病植株的比例越高
B．过程②可以取任一植株的适宜花药作培养材料
C．过程③包括脱分化和再分化两个过程
D．图中筛选过程不改变抗病基因频率
解析：选D。过程①属于杂交育种，通过连续自交，不断淘汰不需要的类型，后代纯合高蔓抗病植株的比例越来越高；过程②属于单倍体育种，由于F1植株的基因型相同，所以取任一植株的花药离体培养都能达到相同的目的；过程③是植物组织培养的过程，该过程包括脱分化和再分化两个过程；图中筛选过程使抗病基因频率升高。
5．(2011年北京西城高三抽样)下图表示应用植物组织培养技术培育优质玉米的过程。对此过程的相关描述错误的是(　　)
A．B→E过程中细胞全能性的高低发生了改变
B．C试管中形成的是高度液泡化的薄壁细胞
C．A植株和F植株体细胞中的染色体组数相同
D．培养出的F植株一般不能直接应用于扩大种植
解析：选C。这个植物组织培养的材料是植物的花粉，即玉米植物的生殖细胞，是由减数分裂得到的。所以F植物的染色体组是A植株的一半。
6．(2011年苏北第一次调研)下列有关育种的叙述中，错误的是(　　)
A．用于大田生产的优良品种不一定是纯合子
B．通过植物组织培养技术培育脱毒苗，筛选培育抗病毒新品种
C．诱变育种可提高突变频率，加速新基因的产生，从而加速育种进程
D．为了避免对三倍体无子西瓜年年制种，可利用植物组织培养快速繁殖
解析：选B。用于大田生产的优良品种不一定是纯合子，如杂交水稻；通过植物组织培养技术培育的脱毒苗没有病毒，但不一定能抗病毒；诱变育种可提高突变频率，加速新基因的产生，从而加速育种进程；三倍体无子西瓜不能产生种子，所以必须年年制种，为了避免对三倍体无子西瓜年年制种，可利用植物组织培养快速繁殖，所以选B。
7．(2011年天津河西区调研)下图列举了几种植物的育种方式，下列有关叙述正确的是(　　)
A．甲过程中诱导细胞融合的方法有物理、化学和病毒三种
B．通过丁种方式可获得脱毒苗，培养过程中c常常取用茎尖的原因是细胞具有全能性
C．乙方式中射线处理后就可以获得大量的有利性状的材料
D．甲、丙两种育种方式与传统杂交育种相比，其优点是能克服不同物种间远缘杂交的不亲和性
解析：选D。诱导植物细胞融合的方法有物理、化学两种；通过丁方式可获得脱毒苗，培养过程外植体常取用茎尖的原因是茎尖有丝分裂旺盛，刚分裂产生的茎尖细胞不含病毒；因基因突变具有不定向性且多有害，故乙方式中射线处理后可能不能获得有利的变异性状；育种方式甲和丙分别是植物体细胞杂交、基因工程育种，它们均能克服远缘杂交不亲和的障碍。
8．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矮杆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(纯合体)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出现的可能原因(简要写出所用方法、结果和结论)。
________________________________________________________________________。
解析：本题侧重于对诱变育种、杂交育种和单倍体育种的比较。(1)杂交育种是具两对相对性状的纯合子杂交得F1，F1再自交得F2，在F2中出现所需的类型，若是显性性状还需连续自交直至不发生性状分离为止。F2中矮秆抗病有1ttRR、2ttRr，其中不能稳定遗传的(ttRr)占2/3。(2)花药离体培养得到的是单倍体植株，不能进行正常的减数分裂，所以不能产生正常的配子。(3)基因突变的频率较低，而且是不定向的。(4)单倍体育种是先通过花药离体培养获得单倍体，再用秋水仙素处理单倍体幼苗，诱导染色体加倍，得到的个体一定是纯合体。
(5)高秆(纯合体)小麦田中，发现了一株矮秆小麦，可能有两个原因：基因突变或环境因素的影响。前者引起的变异是能遗传的；仅环境影响引起的变异是不能遗传的，仍是高秆基因。因是探究实验，结果和结论要分别考虑这两种情况。
答案：(1)自交　2/3
(2)Ⅱ
(3)C　基因突变的频率极低且不定向
(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，则矮秆性状由环境引起，否则，矮秆性状是基因突变的结果
9．(2009年高考四川理综卷)大豆是两性花植物。下面是大豆某性状的遗传实验：
(1)大豆叶颜色(BB表现深绿；Bb表现浅绿；bb呈黄色，幼苗阶段死亡)和花叶病的抗性(由R、r基因控制)遗传的实验结果如下表：
①组合一中父本的基因型是________，组合二中父本的基因型是________。
②用表中F1的子叶浅绿抗病植株自交，在F2的成熟植株中，表现型的种类有_______________________________，
其比例为____________。
③用子叶深绿与子叶浅绿植株杂交得F1，F1随机交配得到的F2成熟群体中，B基因的基因频率为____________。
④将表中F1的子叶浅绿抗病植株的花粉培养成单倍体植株，再将这些植株的叶肉细胞制成不同的原生质体。如要得到子叶深绿抗病植株，需要用________基因型的原生质体进行融合。
⑤请选用表中植物材料设计一个杂交育种方案，要求在最短的时间内选育出纯合的子叶深绿抗病大豆材料。
_______________________________。
(2)有人试图利用细菌的抗病毒基因对不抗病大豆进行遗传改良，以获得抗病大豆品种。
①构建含外源抗病毒基因的重组DNA分子时，使用的酶有
________________________________。
②判断转基因大豆遗传改良成功的标准是______________，具体的检测方法_________________________________。