第六章 从杂交育种到基因工程
第1节 杂交育种与诱变育种
一、最早的育种方法：
选择育种的优点：技术简单、容易操作
缺点： 选择范围有限，育种周期长
选择育种
概念：在生产实践中，人们挑选品质好的个体来传种。这样利用生物变异，通过长期选择，汰劣留良，就能培育出新品种。例如：产蛋多的家禽。这种育种方式是选择育种。

设想：每种生物都有不少性状，这些性状有的是优良性状，有的是不良性状，而且不同的优良性状存在于不同的品种中。人们一直设想如果能想办法去掉不良性状，让优良性状集于一身，创造出自然条件下没有的新性状组合，突破选择育种的局限，培育出具有优良性状组合的新品种。
选择育种的局限性是：只能利用生物在自然环境条件下产生的有限变异，在已有的性状组合中选育优良品种。
温故知新
现有纯合的高秆抗锈病的小麦（DDTT）和矮秆不抗锈病的小麦（ddtt）。如果你是育种工作者，你应该怎样操作才能得到矮秆抗病的优良品种（ddTT）？
温故知新（参考方案）
Ｐ 高抗 　矮不抗
F1　 高抗
DDTT
ddtt
DdTt
ddTt
高抗 高不抗 矮抗 矮不抗
ddTT
矮抗 矮不抗
ddTT
ddTt
杂交
F3
思考：假如从播种到收获种子要一年，那么培育出一个能稳定遗传的植物品种至少要几年？
7－8年
F2
试一试：动物的杂交育种方法
假设现有长毛立耳猫（BBEE）和短毛折耳猫（bbee），你能否培育出能稳定遗传的长毛折耳猫（BBee）？写出育种方案（图解）
二、杂交育种
杂交
F1雌雄间交配
选优
测交
长折
杂交
Ｐ
Ｆ２
F3
B
b
二、杂交育种
1、定义
杂交育种是将两个或两个以上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、方法
杂交→自交或雌雄间交配→选优 → 自交或测交……
例如：高产、矮秆水稻的培育
4、实例
杂交水稻之父：袁隆平,从1976年到2006年，累计增产粮食5200多亿公斤，平均每年解决6000万人的粮食问题。
5、杂交育种的应用
×
中国荷斯坦牛： 荷斯坦—弗里生牛与我国黄牛杂交选育后逐渐形成的优良种。泌乳期可达305天，年产乳量可达6300kg以上，产奶量为世界奶牛之冠 。
5、杂交育种的应用
二、杂交育种
6、优点
通过杂交使位于不同个体上的优良性状集中于一个个体上。
7、缺点
1.只能利用已有的基因重组，不能创造新的基因。
2.育种所需时间较长（一般需7－8年）
特别提醒：
杂交育种与杂种优势的区别：
①杂交育种是通过有性生殖，使不同的优良性状组合到后代的一个个体中，从而选育出优良品种的方法。
②杂种优势是指基因型不同的个体杂交产生的杂交一代，在适应能力上优于两个亲本的现象。
1、动物杂交育种中纯合子的获得不能通过逐代自交，而应改为测交。
2、比植物杂交育种所需年限短。
3、动物杂交育种的过程中不能运用单倍体育种的方法。
4、在植物杂交育种的过程中运用单倍体育种的方法可以显著缩短育种进程。
注意
在杂交育种的过程中运用单倍体育种的方法可以显著缩短育种进程。但是仍然不能产生新的基因，应怎样做才能产生更多可供选择的新基因呢？
三、诱变育种
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
3、方法：
1、概念：
2、原理：
物理、化学方法处理生物，再选择符合要求的变异类型
我国运用返回式运载卫星搭载水稻种子，返回地面后种植，培育出的水稻穗长粒大，亩产达600kg，最高达750kg，蛋白质含量增加8%-20%，生长期平均缩短10天。 思考后请回答：
水稻产生这种变异的来源是：
产生变异的原因是：
基因突变
各种宇宙射线和失重的作用，使基因的分子结构发生改变。
思考：自然突变和诱发突变特点的异同？
低频性、随机、不定向性、多害少利性；诱发突变的突变频率较高
联系基因突变的特点，谈谈诱变育种的局限性。要想克服这些局限性，可以采取什么办法？
不足：诱变育种的方向难以掌握，有利变异少，诱变体难以集中多个理想性状。
克服：可以扩大诱变后代的群体（大量处理实验材料），增加选择的机会。
思考与讨论
４、优点
提高基因突变频率，加快育种进程。
有利个体少，须大量处理供试材料 ，工作量大 。
５、缺点
长相奇特的南瓜
“黑农五号”大豆
黑龙江农科院用辐射方法处理大豆，培育成“黑农五号”大豆品种，含油量比原来的品种提高了2.5%，大豆产量提高了16%。
6、应用
青霉菌高产菌株的选育
1943年从自然界分离出来的青霉菌只能产生青霉素20单位/mL。后来人们对青霉菌多次进行X射线、紫外线照射以及综合处理，培育成了青霉素高产菌株，目前青霉素的产量已达到50000～60000单位/mL。
6、应用
视野拓展
从1987年开始，我国将蔬菜等农作物种子搭载在卫星上上天。“搭星上天”的种子主要有青椒、番茄、黄瓜、丝瓜、胡萝卜、莴苣等蔬菜种子，以及水稻、小麦、高粱等粮食作物和花卉草木等种子，共计50多类。
视野拓展
卫星将农作物种子带到200～400千米的太空中，利用太空中的空间宇宙射线、微重力、高真空、交变磁场等各种特殊因素对种子和微生物进行处理，使种子产生地面得不到的变异，最终培育出高产优质新品种。
视野拓展
我国运用返回式运载卫星搭载水稻种子，返回地面后种植，培育出的水稻穗长粒大，亩产达600kg，最高达750kg，蛋白质含量增加8%-20%，生长期平均缩短10天。
视野拓展
与“神六”飞船一起上太空的花卉“瓷玫瑰”、“老虎须”
视野拓展
重达46公斤的太空南瓜
太空棉花
视野拓展
“太空椒”每个可重350克，ＶＣ等含量提高20％－30％
太空番茄不但香甜可口，而且ＶＣ含量高，是普通品种的2.5倍，最大果重可达600克
诱变育种——太空育种
四、多倍体育种
在育种过程中，人们用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗从而使细胞内染色体数目加倍，染色体数目加倍的细胞继续进行正常的有丝分裂，发育为多倍体植株，得到多倍体品种。
优点：器官大，营养物质含量高。
缺点：发育延迟，结实率低。
四、多倍体育种
二倍体
四倍体
秋水仙素处理
二倍体
×
三倍体种子
三倍体植株
不能形成正常的生殖细胞
无子西瓜
种下去
联会紊乱
第一年
第二年
授二倍体的花粉
五、单倍体育种
采用花药离体培养的方法获得单倍体植株，再人工诱导染色体加倍，获取自交不发生性状分离的稳定遗传的纯系品种。
优点：明显缩短育种年限 。
缺点：技术复杂，成功率较低。
五、单倍体育种
方法：花药离体培养
普通植株
花粉
单倍体幼苗
纯合子幼苗
筛选所需的品种
减数分裂
花药离体培养
秋水仙素处理
DDTT
DdTt
花药离体培养
DT Dt dT dt单倍体幼苗
秋水仙素
DDTT,DDtt,ddTT,ddtt 二倍体植株
筛选所需的品种
ddtt
×
DT Dt dT dt
杂交
矮抗小麦的培育
五、单倍体育种
在野外发现抗锈病（显性基因D控制的）小麦植株，如何快速获取可以稳定遗传的抗锈病的种子呢？
六、基因工程育种
1.什么叫基因工程？最基本的工具有哪些？包括哪些基本步骤？
2.常用的运载体有哪些？
3.基因工程育种有哪些优点？
目的性强，育种周期短，克服了远缘杂交的不亲和性。
六、基因工程育种
将某些生物完整的优良基因转移到其他物种中去，改造生物的遗传物质，使其在性状、营养品质、消费品质等方面向人类所需要的目标转变。基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。
例如:
将菜豆储藏蛋白基因转移到向日葵中，培育出高产、稳产、品质优良的“向日葵豆”，提高了蛋白质的含量。
把细菌的抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等的抗性基因转移到农作物中去，就会产生具有相应抗性的农作物新品种。
六、基因工程育种
基因工程育种的原理：人为基因重组
变异原因：人工方法使目的基因整合到受体DNA分子中去
实例：人体干扰素基因的转移、人体胰岛素基因的转移、转基因大豆、转基因牛等
优点：人类实现对基因的定向转移，有利研究生物制药等
缺点：可能带来生态灾难或战争狂人的“基因武器”。
基因工程的操作工具和步骤
（1）限制酶和DNA连接酶有何不同？
都是作用到脱氧核苷酸之间形成的磷酸二酯键（不是氢键），只不过一个切开，一个连接。
（2）DNA酶、DNA连接酶、DNA聚合酶有何不同？
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； DNA连接酶和DNA聚合酶作用的化学键相同，都是磷酸二酯键。
基因工程中疑难问题辨析
（3）运载体和细胞的膜上的载体相同吗？
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、噬菌体等。 ②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。
（4）受体细胞如何选择？
①微生物常被用做受体细胞的原因是其具有繁殖快、代谢快、目的产物多的特点。
②动物受体细胞一般选用受精卵，植物受体细胞可以是体细胞，但需与植物组织培养技术相结合。
关注转基因食品安全
对转基因食品无害性的评估主要有以下几方面：
是否有毒性、引起过敏反应、营养或毒性蛋白质的特性、注入基因的稳定性、基因改变引起的营养效果及其他不必要的功能等。
对人类健康而言，专家们认为，主要应审查转基因食品有无毒性及对环境的影响。
欧盟对转基因食品的生产和销售制定了一系列法规，要求基因改变不得超过基因总量的 1％，市场上出售的转基因食品必须贴标签。
七、几种常见育种方式的比较
七、几种常见育种方式的比较
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 ．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。
3 ．在所有育种方法中，最简捷、常规的育种方法——杂交育种。
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。
七、几种常见育种方式的比较
5．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。
八、与育种相关的一组重要化学试剂及其应用
试剂名称
生长素
硫酸二乙酯
秋水仙素
纤维素酶
聚乙二醇（PEG）
细胞分裂素
应用范围
作 用
小展身手
下图表示以某种农作物（1）和（2）两个品种为基础，培育出（4）、（5）、（6）、（7）四个品种的过程。根据下图，回答下列问题：
（1）用<1>和<2>培育出<5>所采用的方法I和II分别称为 _______和_______，其培育出<5>所依据的原理是_______。
杂交
自交
基因重组
小展身手
下图表示以某种农作物（1）和（2）两个品种为基础，培育出（4）、（5）、（6）、（7）四个品种的过程。根据下图，回答下列问题：
（2）由（3）培育出（4）的常用方法III______________，由（4）培育成（5）的方法V称_________________，由（3）培育成（5）的育种方式称______________，其优点是__________。
花药离体培养
秋水仙素处理幼苗
单倍体育种
明显缩短育种年限
小展身手
下图表示以某种农作物（1）和（2）两个品种为基础，培育出（4）、（5）、（6）、（7）四个品种的过程。根据下图，回答下列问题：
（3）由<3>培育出<6>的常用方法IV是____________, 其形成的<6>称______。
秋水仙素处理萌发的种子或幼苗
多倍体
小展身手
下图表示以某种农作物（1）和（2）两个品种为基础，培育出（4）、（5）、（6）、（7）四个品种的过程。根据下图，回答下列问题：
（4）由<2>培育出<7>的方法VI是_____________。
人工诱变育种
例2：现有3个番茄品种，A品种的基因型为AABBdd，B品种的基因型为AAbbDD，C品种的基因型为aaBBDD。3对等位基因分别位于3对同源染色体上，并且分别控制叶形、花色和果形3对性状。请回答：
（1）如何运用杂交育种方法利用以上3个品种获得基因型为aabbdd的植株？（用文字简要描述获得过程即可）
（1）A和B杂交得到杂交一代，杂交一代再与C杂交，得到杂交二代，杂交二代自交，即可得到基因型为aabbdd的种子，该种子可长成aabbdd植株
（2）如果从播种到获得种子需要一年，获得基因型为aabbdd的植株最少需要多少年？
4年
现有某二倍体作物，将其种子带到太空中，返回地球后种植，得到高产（A）、品质差（b）和低产（a）、品质好（B）的两个品种(纯种），现计划在较短时间内得到种子粒大、高产且品质好的品种，你应怎样做？
应用与拓展
高产品质差的个体
低产品质好的个体
×
高产品质好的个体
高产品质好（纯种）
粒大高产品质好个体
九．巩固练习
1．“嫦娥1号”胜利奔月，神五神六胜利返回，这些航天技术的发展，为我国的生物育种创造了更多更好的机会，下列有关航天育种的说法不正确的是（ ）
A．航天育种可缩短育种周期
B．种子在宇宙辐射、微重力及弱地磁场等因素的诱导下发生基因突变
C．航天育种技术作为航天技术与农业育种技术相结合的一项创新性研究成果，是快速培育农作物优良新品种的重要途径之一
D．“太空种子”都能培育出高产、优质、高效的新品种
2．两个亲本的基因型分别为AAbb和aaBB，这两对基因按自由组合定律遗传，要培育出基因型为aabb的新品种，最简捷的方法是 （ ）
A．人工诱变育种 B．细胞工程育种
C．单倍体育种 D．杂交育种
D
D
3．要将基因型为AaBB的生物，培育出以下基因型的生物：
①AaBb；②AaBBC；③AAaaBBBB；④aB。
则对应的育种方法依次是（ ）
A．诱变育种、转基因技术、细胞融合、花药离体培养
B．杂交育种、花药离体培养、转基因技术、多倍体育种
C．花药离体培养、诱变育种、多倍体育种、转基因技术
D．多倍体育种、花药离体培养、诱变育种、转基因技术

4．下列关于限制酶和DNA连接酶的理解正确的是（ ）
A．DNA连接酶可以恢复DNA分子中的氢键
B．在基因工程操作中可以用DNA聚合酶代替DNA连接酶
C．它们不能被反复使用
D．其化学本质都是蛋白质
A
D
5．质粒是基因工程中最常用的运载体，它存在于许多细 菌体内。质粒上有标记基因如图所示，通过标记基因可以推知外源基因（目的基因）是否转移成功。外源基因插入的位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同，下表是外源基因的插入位置（插入点有a、b、 c），请根据表中提供细菌的生长情况推测①②③三种重组后细菌的外源基因插入点，正确的一组是（ ）
A．①是c；②是b；③是a
B．①是a和b；②是a；③是b
C．①是a和b；②是b；③是a
D．①是c；②是a；③是b
A
6.下面①～④列举了四种育种方法，请回答相关问题：
（1）属于杂交育种的是_______（填序号）。
（2）①过程的育种方法是__________，育种原理是_________。
（3）若用方法③培育高产抗病的小麦种，与方法②相比其突出的优点是_____________。
（4）③④中使用秋水仙素的作用原理是_______________________________。
②
诱变育种
基因突变
明显缩短育种年限
抑制有丝分裂过程中纺锤体的形成
【解析】本题主要考查不同育种方法的过程。（1）杂交育种是通过杂交将位于不同亲本上的优良集中到同一植株上，然后通过自交将基因型纯化。所以②过称为杂交育种。
（2）①过程是太空育种的典例，它属于诱变育种。利用失重状态下强辐射使基因突变的频率提高。
（3）③过程是单倍体育种的过程，用花药离体培养后得到的单倍体经秋水仙素处理后得到的个体都是纯合子，所以可缩短育种年限。
（4）③④中秋水仙素的作用是抑制有丝分裂过程中纺锤体的形成，从而使染色体数目加倍。
育种的方法有多种，各有各的优点，我们要合理的有机结合各种方法，高效的达到各种目的。
如果水稻的某迟熟（AA)品种,那么我们有什么好办法快速的得到早熟（aa）品种？
灵活创新、实际应用:
人工诱变 + 单倍体育种
早熟品种(aa)
花药离
体培养
迟熟品种
(AA)
杂合子
(Aa)
人工
诱变
幼苗 （A）
幼苗
（a）
秋水仙素处理
早熟品种(AA)
秋水仙素处理
为提高农作物的单产量，获得早熟、抗倒伏、抗病等性状，科学工作者往往要采取多种育种方法来培育符合农民要求的新品种，请根据下面提供的材料，每小组设计一套育种方案：
已有的材料：A小麦的高秆（显性）抗锈病（显性）纯种，B小麦的矮秆不抗锈病纯种，C水稻的迟熟种子 非生物材料：根据需要自选
（1）育种名称： （2）所选择的生物材料： （3）希望得到的结果： （4）预计产生这种结果的（所需类型）的几率（5）写出育种的简要过程（可用图解） （6）简答选择能稳定遗传的新品种的方法。
生物材料：A小麦的高秆（显性）抗锈病（显性）纯种，B小 麦的矮秆不抗锈病纯种，C水稻的迟熟种子
非生物材料：根据需要自选
方案2：
（1）育种名称：单倍体育种
（2）所选择的生物材料：A、B。
（3）希望得到的结果：矮秆抗锈病。
（4）预计产生这种结果的（所需类型）的几率：1/4。
（5）写出育种的简要过程（可用图解）
高抗ⅹ矮病 F1高抗
F1花药离体培养 单倍体植株，再经秋水仙素处理，染色体加倍成为纯合的高抗、矮抗、高病、矮病植株。
（6）简答选择能稳定遗传的新品种的方法。
挑选矮秆抗锈病的植株即可。
方案3：
（1）育种名称：诱变育种
（2）所选择的生物材料：C。
（3）希望得到的结果：早熟水稻。
（4）预计产生这种结果的（所需类型）的几率：极低或不出现。
（5）写出育种的简要过程（可用图解）
用射线、激光照射或秋水仙素等化学试剂处理（或用太空飞船搭载）水稻，使之产生基因突变。
（6）简答选择能稳定遗传的新品种的方法。
将处理的水稻种植下去，进行观察，选择矮秆抗倒伏的水稻，并纯化。
粒大含油少品种和粒小含油多品种
AaBb 粒大含油少品种
3/16 1/16