高三生物——生物变异在生产上的应用
高三生物——生物变异在生产上的应用
知识梳理
1．杂交育种
(1)含义：有目的地将两个或多个品种的优良性状组合在一起，培育出更优良的新品种的方法。一般可以通过杂交、选择、纯合化等手段培养出新品种。
(2)育种原理：基因重组。
(3)方法：杂交→自交→选种→自交。
2．诱变育种
(1)含义：利用物理、化学因素诱导生物发生变异，并从变异后代中选育新品种的过程。
(2)育种原理：基因突变和染色体畸变。
(3)方法：辐射诱变、化学诱变。
(4)特点
①诱发突变可明显提高基因的突变率和染色体的畸变率，即可提高突变频率。
②能在较短时间内有效地改良生物品种的某些性状。
③改良作物品质，增强抗逆性。
3．单倍体育种
(1)含义：利用单倍体作为中间环节产生具有优良性状的可育纯合子的育种方法。
(2)原理：染色体数目变异。
(3)优点?????
缩短育种年限能排除显隐性干扰，提高效率 (4)单倍体育种程序：用常规方法获得杂种F 1→F 1花药离体培养形成愈伤组织，并诱导其分化成幼苗→用秋水仙素处理幼苗，获得可育的纯合植株。
4．多倍体育种
(1)方法：用秋水仙素处理萌发的种子、幼苗等，使它们的染色体加倍。
(2)诱导剂作用机理：抑制细胞分裂时纺锤体的形成，因此染色体虽已复制，但不能分离，最终导致染色体数目加倍。
(3)实例：三倍体无籽西瓜的培育
5．转基因技术
(1)含义：指利用分子生物学和基因工程的手段，将某种生物的基因(外源基因)转移到其他生物物种中，使其出现原物种不具有的新性状的技术。
(2)原理：基因重组。
(3)过程：用人工方法将人们所需要的目的基因导入受体细胞→目的基因整合到受体细胞的染色体上→目的基因在受体细胞内得以表达，并能稳定遗传。
(4)特点：定向改变生物性状。
(1)Aa自交，因基因重组导致子代发生性状分离(×)
(2)抗虫小麦与矮秆小麦杂交，通过基因重组可获得抗虫矮秆小麦(√)
(3)诱变育种和杂交育种均可形成新基因(×)
(4)抗病植株连续自交若干代，纯合抗病植株的比例逐代降低(×)
(5)单倍体育种和多倍体育种都要用到植物的组织培养技术(×)
(6)单倍体育种过程中常用秋水仙素对单倍体的幼苗或萌发的种子进行处理以诱导染色体加倍(×)
(7)转基因育种是一种定向的育种方法(√)
(8)单倍体育种中，通过花药离体培养所得到的植株均为纯合的二倍体(×)
1．育种的类型、原理及优缺点比较
2.育种实验设计举例
(1)利用杂交育种培育宽叶抗病植株
(2)利用单倍体育种培育宽叶抗病植株
(3)利用多倍体育种培育无籽西瓜
图中甲、乙表示水稻两个品种，A、a和B、b分别表示位于两对同源染色体上的两对等位基因，①～⑥表示培育水稻新品种的过程，请分析：
(1)图中哪个过程为单倍体育种(用序号表示)？其为什么能缩短育种年限？
提示图中①③⑤过程表示单倍体育种。采用花药离体培养获得的单倍体植株，经人工诱导染色体加倍后，植株细胞内每对同源染色体上的基因都是纯合的，自交后代不会发生性状分离，因此缩短了育种年限。
(2)④⑥的育种原理分别是什么？
提示④的育种原理为基因突变和染色体畸变，⑥的育种原理为染色体畸变。
(3)图中最简便及最难以达到育种目标的育种途径分别是哪个过程？
提示图中最简便的育种途径为①②过程所示的杂交育种，但育种周期较长；最难以达到目标的育种途径为④过程。
(4)杂交育种选育一般从F2开始的原因是什么？其实践过程中一定需要连续自交吗？为什么？提示因为从F2开始发生性状分离。实践过程中不一定需要连续自交。若选育显性优良纯种，需要连续自交筛选直至性状不再发生分离；若选育隐性优良纯种，则只要在F2中出现该性状个体即可。
(5)原核生物常选哪种育种方式，为什么？
提示诱变育种。原核生物无减数分裂，不能进行杂交育种，所以一般选诱变育种。
命题点一育种方法及实例
1．(2019·浙江五校联考)下列关于育种的叙述，正确的是()
A．杂交育种一般通过杂交、选择、纯合化等手段培养新品种
B．紫外线照射能增加DNA分子上的碱基对发生变化的概率导致染色体畸变
C．诱导单倍体的染色体加倍获得的纯合子，即为可育良种
D．在单倍体与多倍体的育种中，通常用秋水仙素处理萌发的种子
答案A
解析杂交育种一般通过杂交、选择、纯合化等手段培养新品种，A正确；紫外线照射能增加DNA分子上的碱基对发生变化的概率，从而使基因结构发生改变的概率增大，B错误；
诱导单倍体的染色体加倍获得的纯合子，经选择淘汰后可选育出可育良种，C错误；在单倍体育种中通常用秋水仙素处理幼苗，而在多倍体育种中通常用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，D错误。
2．水稻的高秆、矮秆是一对相对性状，非糯性、糯性是另一对相对性状，两对相对性状独立遗传。现有一纯种高秆糯性水稻与一纯种矮秆非糯性水稻杂交，F1全是高秆非糯性水稻。下列叙述正确的是()
A．要培育矮秆糯性水稻，只需让F1连续自交、选优，6代后纯合子就能占95%以上
B．要培育矮秆糯性水稻，利用射线诱变矮秆非糯性水稻的原理是基因突变，而利用F1个体进行单倍体育种的原理则为基因重组
C．要培育高秆非糯性水稻，只需要对F1的花药离体培养，再从所得幼苗中选取所需个体D．要培育高秆非糯性水稻，可将F1培育成四倍体并进行花药离体培养，得到所需品种的理论概率为1/36
答案D
命题点二杂交育种和诱变育种在农业生产中的应用
3．某自花且闭花授粉植物，抗病性和茎的高度是独立遗传的性状。抗病和感病由基因R和r控制，抗病为显性；茎的高度由两对独立遗传的基因(D、d，E、e)控制，同时含有D和E 表现为矮茎，只含有D或E表现为中茎，其他表现为高茎。现有感病矮茎和抗病高茎两品种的纯合种子，欲培育纯合的抗病矮茎品种。请回答：
(1)自然状态下，该植物一般都是____合子。
(2)若采用诱变育种，在γ射线处理时，需要处理大量种子，其原因是基因突变具有______________________和有害性这三个特点。
(3)若采用杂交育种，可通过将上述两个亲本杂交，在F2等分离世代中________抗病矮茎个体，再经连续自交等________手段，最后得到稳定遗传的抗病矮茎品种。据此推测，一般情况下，控制性状的基因数量越多，其育种过程所需的____________。若只考虑茎的高度，亲本杂交所得的F1在自然状态下繁殖，则理论上F2的表现型及其比例为________________________________________________________________________。
(4)若采用单倍体育种，该过程涉及的原理有______________________________________。请用遗传图解表示该过程(说明：选育结果只需写出所选育品种的基因型、表现型及其比例)。答案(1)纯(2)多方向性、稀有性(3)选择纯合化年限越长高茎∶中茎∶矮茎＝1∶6∶9(4)细胞的全能性、基因重组和染色体畸变如下图
解析(1)由于该植物是自花且闭花授粉植物，所以在自然状态下一般都是纯合子。
(2)诱变育种时，用γ射线处理种子的原理是基因突变。由于基因突变具有多方向性、稀有性和有害性等特点，所以需要处理大量种子。
(3)如果采用杂交育种的方式，将上述两个亲本杂交，得F1，在F1自交所得的F2中选出抗病矮茎个体(R_D_E_)，再通过连续自交及逐代淘汰的手段，最后获得能稳定遗传的抗病矮茎品种(RRDDEE)。一般情况下，控制性状的基因数量越多，需进行的自交和筛选操作越多，因此其育种过程所需年限越长。若只考虑茎的高度，F1(DdEe)在自然状态下繁殖即自交后，F2中表现型及比例为9矮茎(9D_E_)∶6中茎(3D_ee、3ddE_)∶1高茎(1ddee)。
(4)若采用单倍体育种的方式获得所需品种，首先需将纯合感病矮茎和抗病高茎杂交得F1，将F1花药进行离体培养得到单倍体，继而使用秋水仙素对其进行处理使其染色体数目加倍，该过程涉及的原理有细胞的全能性、基因重组和染色体畸变。其遗传图解见答案。
命题点三转基因技术、转基因生物和转基因食品的安全性
4．下列有关转基因食品和转基因生物的叙述中，正确的是()
A．转基因食品只能用作牲畜饲料
B．转基因食品与非转基因食品的营养物质种类差别很大
C．目前对转基因食品的安全性仍然存在争议
D．目前我国对农业转基因生物的研究和试验尚未作出具体规定
答案C
解析转基因食品也可以供人类食用，A错误；转基因食品与非转基因食品的营养物质种类差别不大，B错误；目前对转基因食品的安全性仍然存在争议，C正确；我国针对农业转基因生物的研究和试验颁布了《转基因食品卫生管理办法》等一系列法规，D错误。
5．随着基因工程的兴起，人们越来越关注转基因生物和转基因食品的安全性问题。下列相
关叙述错误的是()
A．公众应科学理性地对待转基因生物和转基因食品
B．基因工程在医、农、林等领域具有广阔的应用前景
C．在我国生产及销售转基因食品的行为都是违法的
D．国家应通过相关法律法规科学管理转基因生物
答案C
解析公众应科学理性地对待转基因生物和转基因食品，正确的做法应该是趋利避害，不能因噎废食，A正确；基因工程由于能定向改造生物，在医、农、林等领域具有广阔的应用前景，B正确；在我国生产及销售转基因食品的行为是合法的，但需要标明转基因食品，C错误；我国对转基因生物及其产品的安全性问题十分重视，采取了许多必要的措施以保证其安全性，还应通过相关法律法规科学管理转基因生物，D正确。
命题点四生物变异在生产上的应用
6．(2019·浙江暨阳3月联考)下列关于变异和育种的叙述正确的是()
A．单倍体育种过程中，发生的变异类型是染色体畸变
B．进行有性生殖的高等生物，发生基因重组和基因突变的概率都比较小
C．用诱变剂诱导发生基因突变，再次诱变有可能发生可逆变异
D．同源染色体的交叉互换一定会发生基因重组
答案C
解析单倍体育种过程中发生的变异是基因重组和染色体畸变，A错误；进行有性生殖的生物普遍存在基因重组，B错误；基因突变具有可逆性特点，C正确；纯合子个体同源染色体的交叉互换不会发生基因重组，D错误。
7．诱变育种、杂交育种、单倍体育种、多倍体育种都是传统的育种技术，转基因技术是20世纪90年代发展起来的新技术。下列叙述错误的是()
A．杂交育种和单倍体育种过程中通常都涉及基因重组
B．采用上述技术的目的是获得具有所需性状的品种
C．上述技术中，仅多倍体育种会选育出与原物种生殖隔离的个体
D．与传统育种比较，转基因技术的优势是能使物种出现新基因和性状
答案D
解析与传统育种比较，转基因技术的优势是能使物种出现新基因型和性状组合类型，D错误。
命题点五 遗传育种实验设计
8．黄瓜是雌雄同株且雌雄异花的植物，现有黄瓜的两个品种，品种Ⅰ只抗甲锈菌，品种Ⅱ只抗乙锈菌。将品种Ⅰ和品种Ⅱ杂交，F 1表现为既抗甲锈菌又抗乙锈菌，F 1自交得到的F 2中表现型和植株数如表所示。这两对性状分别由等位基因A 、a 和B 、b 控制，请回答下列问题：
(1)上述性状中，显性性状是______________________，亲本的基因型是________________，这两对等位基因的位置关系是位于______________(填“一”或“两”)对同源染色体上。理论上F 2抗甲锈菌、抗乙锈菌植株中纯合子的比例是__________。
(2)现有两个品种的黄瓜植株杂交，后代中出现抗甲锈菌、易感乙锈菌植株的概率为38
，则出现易感甲锈菌、易感乙锈菌植株的概率为________。
(3)若以F 1为亲本，用什么方法可在短时间内培育出同时抗甲、乙两种锈菌的纯种品系，请写出培育过程遗传图解，并作简要说明。
答案 (1)抗甲锈菌、抗乙锈菌 AAbb 和aaBB 两 19
(2)18 (3)如图所示
从纯合植株中挑选表现型为抗甲锈菌、抗乙锈菌的植株，即为能稳定遗传的纯合抗甲锈菌、抗乙锈菌品系
解析 (1)由题表分析可知，抗甲锈菌、抗乙锈菌是显性性状；亲本基因型是AAbb 、aaBB ；两对等位基因的遗传遵循自由组合定律，位于两对同源染色体上；F 1的基因型是AaBb ，F 2
的基因型及比例为A_B_∶A_bb∶aaB_∶aabb＝9∶3∶3∶1，其中A_B_是既抗甲锈菌也抗
乙锈菌的个体，纯合子是AABB，占1
9
。(2)抗甲锈菌、易感乙锈菌植株的基因型是A_bb，占
3 8，即两亲本杂交，后代中A_＝3
4
，bb＝1
2
，则亲本的基因型为AaBb×Aabb，因此杂交后代
中易感甲锈菌、易感乙锈菌植株(基因型为aabb)的比例是aabb＝1
4×1
2
＝1
8
。(3)以F1为亲本，
利用单倍体育种方法可以在最短时间内培育出同时抗甲、乙两种锈菌的纯种品系，方法是种植F1，利用F1的花粉进行花药离体培养获得单倍体幼苗，用秋水仙素处理单倍体幼苗获得可育植株，从中选择抗甲、乙两种锈菌的植株即为纯合子。遗传图解见答案。
一、关于基因突变和基因重组的8个误区
1．误以为基因突变会改变DNA上基因的数目和位置。基因突变发生在基因内部，只是产生了新的等位基因，并没有改变DNA上基因的数目和位置。
2．误以为诱变因素能决定基因突变的方向。诱变因素可提高基因突变的频率，但不能决定基因突变的方向，基因突变具有多方向性的特点。
3．误以为基因突变只是发生在间期。基因突变主要发生在有丝分裂的间期或减数第一次分裂前的间期，也能发生在其他各时期，只是突变率更低。
4．误以为RNA病毒中不会发生基因突变。RNA病毒中，基因突变指RNA中碱基的替换、增加和缺失，其突变率远大于DNA的突变率。
5．误以为基因突变就是DNA中碱基对的增加、缺失和替换。基因通常是有遗传效应的DNA 片段。不具有遗传效应的DNA片段也可发生碱基对的改变，但不叫基因突变。
6．误以为基因突变可产生非等位基因。基因突变是多方向的，只能产生其等位基因。7．误以为基因重组是交叉互换。基因重组有三种类型：同源染色体非姐妹染色单体之间的交叉互换、非同源染色体上的非等位基因的重组和转基因技术。染色体片段交换发生在同源染色体之间叫基因重组，而发生在非同源染色体之间叫易位，属于染色体结构变异。8．误以为精卵随机结合属于基因重组。精子与卵细胞的自由(随机)结合是生殖细胞间随机结合，不是基因重组。
二、关于染色体畸变的3个误区
1．误以为染色体畸变不会改变生物的种类。基因突变不会改变生物的种类，但染色体畸变
可能会改变生物的种类，如二倍体西瓜与四倍体西瓜属于不同的物种。
2．误以为单倍体体细胞中一定含有l个染色体组。二倍体植物的单倍体含有1个染色体组，四倍体和六倍体植物的单倍体分别含有2个和3个染色体组。
3．误以为染色体畸变只发生在减数分裂过程中。染色体畸变可发生在减数分裂过程中，也可发生在有丝分裂过程中。
三、有关生物变异在生产上的应用的7个误区
1．误以为育种中“最简便”就是“最快速”，“最简便”应为“易操作”。“最快速”操作未必简便，如用单倍体育种获得具有显性性状的纯合子，可明显缩短育种年限，但其技术含量却较高。
2．误以为花药离体培养就是单倍体育种。单倍体育种主要包括杂交、花药离体培养、秋水仙素处理和筛选四个过程。
3．误以为利用杂交育种选育新品种，纯合化是必须使用的一种手段。如果选育的优良品种为全隐性的个体如aabb，则一般在F2中一旦出现即可选择，不需要再经过纯合化过程。4．误以为杂交育种可以创造自然界本来没有的新性状。出现自然界没有的新性状必须要有新的基因，杂交育种不会产生新的基因，所以不能创造自然界本来没有的新性状，但可出现新的性状组合类型，形成新的基因型和表现型。
5．误以为可利用干种子作为实验材料进行诱变育种。干种子处于休眠状态，细胞不分裂，不能作为诱变育种的材料。
6．误以为单倍体育种过程中常用秋水仙素对单倍体的幼苗或萌发的种子进行处理以诱导染色体加倍。单倍体育种用秋水仙素处理的是幼苗。
7．误以为转基因棉和普通棉是两个不同物种。转基因棉和普通棉仍属于同一物种。
1．染色体结构变异的实质是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。
2．染色体组的准确表述是指细胞中的一组非同源染色体，在形态结构和功能上各不相同，但又互相协调，共同控制生物正常的生命活动。
3．体细胞含四个染色体组的生物不一定为四倍体，原因是确认是四倍体还是单倍体，必须先看发育起点。若由配子发育而来，则为单倍体；若由受精卵发育而来，则为四倍体。4．三倍体无籽西瓜培育时用一定浓度的秋水仙素溶液处理二倍体西瓜芽尖的原因是西瓜幼苗的芽尖是有丝分裂旺盛的部位，用秋水仙素处理有利于抑制细胞有丝分裂时纺锤体的形成，从而形成四倍体西瓜植株。
5．四倍体西瓜植株是不同于二倍体西瓜植株的新物种，理由是与二倍体植株产生了生殖隔离，四倍体西瓜植株能自由交配产生可育后代。
6．用基因型为AaBb(抗病卵形叶)的植株作材料，快速获得基因型为AABB的抗病卵形叶植株的过程是取AaBb植株的花药离体培养获得单倍体幼苗，利用秋水仙素诱导染色体加倍，用相应病原体感染卵形叶植株，保留抗病植株。
1．(2020·浙江1月选考)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
答案B
2．(2019·江苏，18)人镰刀形细胞贫血症是基因突变造成的，血红蛋白β链第6个氨基酸的密码子由GAG变为GUG，导致编码的谷氨酸被置换为缬氨酸。下列相关叙述错误的是() A．该突变改变了DNA碱基对内的氢键数
B．该突变引起了血红蛋白β链结构的改变
C．在缺氧情况下患者的红细胞易破裂
D．该病不属于染色体异常遗传病
答案A
解析密码子由GAG变为GUG，则模板链对应的碱基由CTC变为CAC，并不影响DNA 中A与T和C与G的对数，故DNA碱基对内的氢键数不会发生改变，A项错误；由于血红蛋白β链中一个氨基酸发生了改变，故血红蛋白β链的结构会发生改变，B项正确；镰刀形细胞贫血症患者的红细胞在缺氧状态下呈镰刀状，严重缺氧时红细胞易破裂，造成患者严重贫血，甚至死亡，C项正确；镰刀形细胞贫血症属于单基因遗传病，D项正确。3．(2018·全国Ⅰ，6)某大肠杆菌能在基本培养基上生长，其突变体M和N均不能在基本培养基上生长，但M可在添加了氨基酸甲的基本培养基上生长，N可在添加了氨基酸乙的基本培养基上生长。将M和N在同时添加氨基酸甲和乙的基本培养基中混合培养一段时间后，再将菌体接种在基本培养基平板上，发现长出了大肠杆菌(X)的菌落。据此判断，下列说法不合理的是()
A．突变体M催化合成氨基酸甲所需酶的活性丧失
B．突变体M和N都是由于基因发生突变而得来的
C．突变体M的RNA与突变体N混合培养能得到X
D．突变体M和N在混合培养期间发生了DNA转移
答案C
解析突变体M不能在基本培养基上生长，但可在添加了氨基酸甲的培养基上生长，说明该突变体不能合成氨基酸甲，可能是催化合成氨基酸甲所需酶的活性丧失，A项正确；大肠杆菌属于原核生物，自然条件下其变异类型只有基因突变，故其突变体是由于基因发生突变而得来的，B项正确；大肠杆菌的遗传物质是DNA，突变体M的RNA与突变体N混合培养不能得到X，C项错误；突变体M和N在混合培养期间发生了DNA转移，使基因发生重组，产生了新的大肠杆菌X，D项正确。
4．(2018·浙江4月选考)将某种海鱼的抗冻基因导入西红柿细胞中，培育成耐低温的西红柿新品种。这种导入外源基因的方法属于()
A．杂交育种B．转基因技术
C．单倍体育种D．多倍体育种
答案B
解析转基因技术是指利用分子生物学和基因工程的手段，将某生物的基因(海鱼的抗冻基因)转移到其他生物物种(西红柿)中，出现原物种不具有的新性状的技术，B项符合题意；杂交育种是利用基因重组原理，有目的地将两个或多个品种的优良性状组合在一起，培育出更优良的新品种，A项不符合题意；利用单倍体作为中间环节产生具有优良性状的可育纯合子的育种方法称为单倍体育种，C项不符合题意；利用物理、化学因素来诱导多倍体的产生的育种方法叫多倍体育种，D项不符合题意。
5．(2019·北京，4)甲、乙是严重危害某二倍体观赏植物的病害。研究者先分别获得抗甲、乙的转基因植株，再将二者杂交后得到F1，结合单倍体育种技术，培育出同时抗甲、乙的植物新品种。以下对相关操作及结果的叙述，错误的是()
A．将含有目的基因和标记基因的载体导入受体细胞
B．通过接种病原体对转基因的植株进行抗病性鉴定
C．调整培养基中植物激素比例获得F1花粉再生植株
D．经花粉离体培养获得的若干再生植株均为二倍体
答案D
解析基因工程的核心是重组DNA分子的构建，重组DNA分子包括目的基因、标记基因、启动子、终止子等，A项正确；可通过病原体接种实验对转基因植株进行个体水平的检测，B项正确；花粉离体培养技术就是以花粉为外植体进行的组织培养，其培养基中需要添加生长素和细胞分裂素等植物激素，且在组织培养不同阶段需要调整激素的比例，C项正确；抗甲、乙的植物新品种杂交后得到的F1仍为二倍体植物，所以F1经花粉离体培养获得的再生植株均为单倍体，D项错误。