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1、從雜交育種到基因工程,一、選擇育種,1、優(yōu)點(diǎn)：,有利生物的變異，通過(guò)長(zhǎng)期選擇，汰劣留良，培育優(yōu)良品種,2、缺點(diǎn)：,周期長(zhǎng)而且可選擇的范圍是有限的。,二、雜交育種,1、概念： 2、原理： 3、優(yōu)點(diǎn)： 4、不足：,將兩個(gè)或多個(gè)品種的優(yōu)良性狀通過(guò)交配集中在一起，再經(jīng)過(guò)選擇和培育，獲得新品種的方法。,基因重組,將同種生物不同個(gè)體上的優(yōu)良性狀集中在同一個(gè)體上，即“集優(yōu)”。,不能創(chuàng)造新基因，是原有基因的重新組合，從而不能產(chǎn)生新性狀。 育種進(jìn)程緩慢，過(guò)程繁瑣。 只適用于有性生殖的生物。,5、方法：,雜交,自交,選優(yōu),連續(xù)自交,,,,,F1：雜種,F2：,所需類(lèi)型,純合子,具有不同優(yōu)良性狀的親本,注：雜交育種
2、不一定需要連續(xù)自交。若選育顯性優(yōu)良純種，則需要連續(xù)自交篩選直至性狀不再發(fā)生分離；若選育隱性優(yōu)良純種，則只要在子二代出現(xiàn)該性狀個(gè)體即可。,純種高桿抗銹病小麥（DDTT）與矮桿不抗銹病小麥（ddtt）培育矮桿抗銹病小麥（ddTT）,P： DDTT ddtt, F1： DdTt,自交 F2：矮桿抗銹?。╠dTt ddTT ）,連續(xù)自交,矮桿抗銹?。╠dTT）,6、舉例：,7、應(yīng)用：,8、雜交育種與雜種優(yōu)勢(shì),（1）在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，雜交育種是改良作物品質(zhì)，提高農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量的常規(guī)方法：如雜交水稻，矮桿抗銹病小麥。,（2）在畜牧業(yè)中，用于家畜、家禽優(yōu)良品種的選育。如奶牛。,（1）雜種優(yōu)勢(shì)是指基因型
3、不同的親本個(gè)體相互雜交產(chǎn)生的雜種第一代，在適應(yīng)能力上優(yōu)于兩個(gè)親本的現(xiàn)象。,（2）雜交育種是在雜交后代眾多類(lèi)型中選擇符合育種目標(biāo)的個(gè)體進(jìn)一步培育，直到獲得穩(wěn)定遺傳的具有優(yōu)良性狀的新品種；,注：生產(chǎn)上人們利用雜種優(yōu)勢(shì)，需要年年配種（雜種），但不再留種,三、誘變育種,1、概念： 2、原理： 3、優(yōu)點(diǎn)： 4、不足：,利用物理因素或化學(xué)因素來(lái)處理生物，使生物發(fā)生基因突變。,基因突變,提高突變率，在較短時(shí)間內(nèi)獲得更多的優(yōu)良性狀。 產(chǎn)生新基因，從而大幅度改良某些性狀 變異范圍廣，動(dòng)物、植物、微生物均適用。,有利變異少，需大量處理材料 誘變的方向和性質(zhì)不能控制，具有盲目性 突變體難以集中多個(gè)理想
4、的優(yōu)良性狀。,5、方法：,6、應(yīng)用,選擇生物誘發(fā)突變選擇理想類(lèi)型培育,誘變因素,,物理因素： 化學(xué)因素： 空間誘變：,X射線、r射線、紫外線、激光等 亞硝酸、硫酸二乙酯 宇宙強(qiáng)輻射，微重力和高真空等，如太空椒,（1）農(nóng)作物育種：培育出的新品種，具有抗病力強(qiáng)、產(chǎn)量高、品質(zhì)好等特點(diǎn)，如黑農(nóng)五號(hào)大豆。,（2）微生物育種：如青霉菌的培育。,注：誘變育種與雜交育種相比，前者能產(chǎn)生前所未有的新基因，創(chuàng)造變異新類(lèi)型；后者不能產(chǎn)生新基因，只是實(shí)現(xiàn)原有基因的重新組合。,提示此特點(diǎn)為缺點(diǎn)，不是優(yōu)點(diǎn)。,,,,,,,遺傳育種方式的比較,基因重組,基因突變,染色體變異,染色體變異,基因重組,基因重組、染色體變異,動(dòng)物細(xì)
5、胞核的全能性,染色體組成倍增加,產(chǎn)生新的基因組合即基因型,產(chǎn)生新的基因,獲得外源基因,不同物種實(shí)現(xiàn)基因重組,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞核的全能性表達(dá),項(xiàng)目,雜交育種,誘變育種,單倍體育 種,多倍體育 種,基因工程育種,細(xì)胞融合技術(shù)育種,技術(shù)復(fù)雜且須與雜交育種配合,發(fā)育延遲，結(jié)實(shí)率低,有可能引起生態(tài)危機(jī)。,將不同個(gè)體的優(yōu)良性狀集中于一個(gè)生物個(gè)體上,甲品種,乙品種,,F1,F2,,,,,人工選擇性狀穩(wěn)定遺傳的新品種,甲品種,乙品種,,目的基因,運(yùn) 載 體,+,種子,返地種植,多種變異種類(lèi),新品種,,,,衛(wèi)星 搭 載,太空 旅 行,人工 選擇,F1,,單倍體植株,若干植株,新品種,,,,花藥離 體培養(yǎng),秋水 仙素,人
6、工 選擇,正常的幼苗,若干植株,新品種,,,秋水仙素,人工選擇,,,,重組DNA,受體細(xì)胞,轉(zhuǎn)基因生物,,,體細(xì)胞核,去 核 卵,細(xì)胞融合技術(shù)育種,細(xì)胞核 移植技 術(shù)育種,基因工程育 種,多倍體 育 種,單倍體 育 種,誘變 育種,雜交 育種,項(xiàng)目,白菜甘藍(lán)番茄馬鈴薯,克隆羊、鯉鯽移核魚(yú),青霉素 高產(chǎn)菌株,矮稈抗銹病小麥,實(shí)例,甲植株細(xì)胞,乙植株細(xì)胞,+,,,,原生質(zhì)體 融 合,雜種細(xì)胞,組織培養(yǎng),,,雜種植株,,,,,重構(gòu)卵,分裂并胚胎 移 植,新品種,,,,,4隨著我國(guó)航天技術(shù)的日趨成熟，太空育種正在興起，有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：太空失重、真空狀態(tài)，將很多在地球重力場(chǎng)中無(wú)法完成的育種實(shí)驗(yàn)變?yōu)槿菀讓?shí)
7、現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)；太空高輻射環(huán)境為動(dòng)、植物、微生物發(fā)生基因突變提供良好條件！,2在所有育種方法中，最簡(jiǎn)捷、常規(guī)的育種方法雜交育種。 3根據(jù)不同育種需求選擇不同的育種方法。 (1)將兩親本的兩個(gè)不同優(yōu)良性狀集中于同一生物體上，可利用雜交育種，亦可利用單倍體育種。 (2)要求快速育種，則運(yùn)用單倍體育種。 (3)要求大幅度改良某一品種，使之出現(xiàn)前所未有的性狀，可利用誘變育種和雜交育種相結(jié)合的方法。 (4)要求提高品種產(chǎn)量，提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量，可運(yùn)用多倍體育種。,(5)讓染色體加倍可以用秋水仙素等進(jìn)行處理，也可采用 細(xì)胞融合的方法，且此方法能在兩個(gè)不同物種之間進(jìn)行。 (6)原核生物不能進(jìn)行減數(shù)分裂，所以不能運(yùn)
8、用雜交的方法進(jìn)行育種，一般采用的方法是誘變育種。,,,AAaaBBbb,,育種方法綜合運(yùn)用圖解,,,雜交育種,基因重組,F2,從F2開(kāi)始出現(xiàn)AAbb個(gè)體(或從F2開(kāi)始出現(xiàn)性狀分離),97,11,花藥離體培養(yǎng),能明顯縮短育種年限,誘變育種,過(guò)程產(chǎn)生的變異是定向的(或基因工程育種轉(zhuǎn)入的基因是已知的，用基因工程手段產(chǎn)生的變異是定向的),(1)由品種AABB、aabb經(jīng)過(guò)過(guò)程培育出新品種的育種方式稱(chēng)為_(kāi)________，其原理是__________。用此育種方式一般從____才能開(kāi)始選育AAbb個(gè)體，是因?yàn)開(kāi)_________________________________。 (2)若經(jīng)過(guò)過(guò)程產(chǎn)生的子
9、代總數(shù)為1 552株，則其中基因型為AAbb的植株在理論上有____株?；蛐蜑锳abb的植株經(jīng)過(guò)過(guò)程，子代中AAbb與aabb的數(shù)量比是_______。 (3)過(guò)程常采用______________技術(shù)得到Ab個(gè)體。與過(guò)程的育種方法相比，過(guò)程的優(yōu)勢(shì)是_____________________。 (4)過(guò)程的育種方式是__________，與過(guò)程比較，過(guò)程的明顯優(yōu)勢(shì)是________________________________________________________。,二、基因工程及其應(yīng)用,1.概念：,對(duì)概念的理解：,2、原理：,基因重組,基因工程又叫做基因拼接技術(shù)或DNA重組技術(shù)
10、。通俗地說(shuō)，就是按照人們的意愿，把一種生物的某種基因提取出來(lái)，加以修飾改造，然后放到另一種生物的細(xì)胞里，定向地改造生物的遺傳性狀。,3.工具,4.步驟,基因的“剪刀”限制性核酸內(nèi)切酶（限制酶）,提取目的基因,基因的“針線”DNA連接酶,目的基因與運(yùn)載體結(jié)合,基因的運(yùn)輸工具運(yùn)載體：常用的有質(zhì)粒、噬菌體和動(dòng)植物病毒，目的是將目的基因送入受體細(xì)胞。,將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞,目的基因的檢測(cè)與鑒定,,,（一）基因的剪刀限制性內(nèi)切酶（簡(jiǎn)稱(chēng)限制酶）,,1、分布：主要在微生物中。,2、特點(diǎn)：特異性，即一種限制酶只能識(shí)別一種特定的核苷酸序列，并且能在特定的切點(diǎn)上切割DNA分子。,3、舉例：大腸桿菌的一種限制酶（
11、EcoR）能識(shí)別GAATTC序列，并在G和A之間切開(kāi)。,（一）基因的剪刀限制性內(nèi)切酶（簡(jiǎn)稱(chēng)限制酶）,,4、結(jié)果：產(chǎn)生黏性未端（堿基互補(bǔ)配對(duì)）。,什么叫黏性末端？,被限制酶切開(kāi)的DNA兩條單鏈的切口，帶有幾個(gè)伸出的核苷酸，他們之間正好互補(bǔ)配對(duì)，這樣的切口叫黏性末端。,5、作用：基因工程中重要的切割工具。在微生物體內(nèi)能將外來(lái)的DNA切斷，對(duì)自己的DNA無(wú)損害。,限制酶不剪切細(xì)菌本身的DNA的原因：,a.DNA分子中不具備相應(yīng)的識(shí)別切割序列。,b.在甲基化酶的作用下，將甲基轉(zhuǎn)移到相應(yīng)序列的堿基上。,故而這是微生物長(zhǎng)期進(jìn)化形成的一套完善防御機(jī)制。,（二）基因的針線DNA連接酶,,DNA連接酶可把黏性末
12、端之間的縫隙“縫合”起來(lái)，即連接脫氧核糖和磷酸交替連接而成的DNA骨架上的缺口,,,磷酸二酯鍵，DNA連接酶作用處,,(1)催化對(duì)象：兩個(gè)具有相同黏性末端的DNA片段。 (2)催化位置：脫氧核糖與磷酸之間的缺口。 (3)催化結(jié)果：形成重組DNA。,注：DNA連接酶連接的部位：磷酸二酯鍵（梯子的扶手），不是氫鍵（梯子的踏板）。,（三）基因的運(yùn)輸工具運(yùn)載體,,4、質(zhì)粒：,3、種類(lèi)：,質(zhì)粒、噬菌體和動(dòng)植物病毒。,是基因工程最常用的運(yùn)載體，它廣泛地存在于細(xì)菌中，是細(xì)菌染色體外能夠自主復(fù)制的很小的環(huán)狀DNA分子，大小只有普通細(xì)菌擬核DNA的百分之一。,,1、作用,,2、條件,（充當(dāng)運(yùn)輸工具）,（目的基因
13、單獨(dú)不能復(fù)制）,比一比：(1)DNA連接酶和DNA聚合酶有何不同？(2)運(yùn)載體和細(xì)胞膜上的載體相同嗎？ 答案：：(1)DNA連接酶是修復(fù)愈合DNA片段間單鏈上的缺口，使之形成磷酸二酯鍵。DNA聚合酶是DNA分子復(fù)制時(shí)，按模板鏈的要求，逐個(gè)把脫氧核苷酸連接起來(lái)，形成DNA的子鏈。 (2)不同。運(yùn)載體是將外源基因?qū)胧荏w細(xì)胞的專(zhuān)門(mén)運(yùn)輸工具，常用的運(yùn)載體有質(zhì)粒、動(dòng)植物病毒、噬菌體等。 位于細(xì)胞膜上的載體是蛋白質(zhì)，與控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞有關(guān)系。,基因操作的基本步驟,,,,,提取目的基因,,1,,,2,,,3,將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞,,,4,目的基因的檢測(cè)與表達(dá),目的基因與運(yùn)載體結(jié)合,（一）提取目的基因,,
14、1、目的基因：是人們所需要轉(zhuǎn)移或改造的基因。,如蘇云金芽孢桿菌的抗蟲(chóng)基因，還有植物的抗?。共《?、抗細(xì)菌）基因、種子貯藏蛋白的基因，以及人的胰島素基因、干擾素基因等。,2.取得途徑,,直接分離（從供體細(xì)胞）,人工合成（化學(xué)合成）,,反轉(zhuǎn)錄法,根據(jù)蛋白質(zhì)中氨基酸的序列推測(cè)出核苷酸序列，通過(guò)化學(xué)方法人工合成DNA,,（二）目的基因與運(yùn)載體結(jié)合,1）用一定的限制酶切割質(zhì)粒，使其出現(xiàn)一個(gè)切口，露出黏性末端。 2）用同一種限制酶切斷目的基因，使其產(chǎn)生相同的黏性末端。 3）將切下的目的基因片段插入質(zhì)粒的切口處，再加入適量DNA連接酶，形成了一個(gè)重組DNA分子（重組質(zhì)粒）,注：目的基因與運(yùn)載體的結(jié)合過(guò)程，實(shí)
15、際上是不同來(lái)源的基因重組的過(guò)程。,,常用的受體細(xì)胞：,大腸桿菌、枯草桿菌、土壤農(nóng)桿菌、酵母菌和動(dòng)植物細(xì)胞等。,將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞原理,借鑒細(xì)菌或病毒侵染細(xì)胞的途徑。,（三）將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞,,（四）目的基因的檢測(cè)和表達(dá),受體細(xì)胞攝入DNA分子后,目的基因不一定完成了表達(dá)。,受體細(xì)胞必須表現(xiàn)出特定的性狀，才能說(shuō)明目的基因完成了表達(dá)。,若不能表達(dá)，要對(duì)抗蟲(chóng)基因再進(jìn)行修飾。,,檢測(cè)：根據(jù)受體細(xì)胞中是否具有標(biāo)記基因，判 斷目的基因?qū)肱c否 鑒定：受體細(xì)胞是否表現(xiàn)目的基因控制的性狀，如棉花抗蟲(chóng)性狀的表現(xiàn)。,1、分子水平的檢測(cè)：分子雜交技術(shù),第二步：檢測(cè)目的基因是否轉(zhuǎn)錄出mRNA,第三步：檢測(cè)目
16、的基因是否翻譯成蛋白質(zhì),2、個(gè)體水平的鑒定,方法：抗原抗體雜交,第一步：檢測(cè)目的基因是否插入受體細(xì)胞染色體DNA上,方法： DNA分子雜交技術(shù)。 （轉(zhuǎn)基因生物的DNA與目的基因的DNA片段）,方法： 分子雜交技術(shù)。 （轉(zhuǎn)基因生物的mRNA與目的基因的DNA片段）,一個(gè)抗蟲(chóng)或抗病的目的基因?qū)爰?xì)胞后，是否賦予了植物抗蟲(chóng)或 抗病的特性，需要做抗蟲(chóng)或抗病的接種實(shí)驗(yàn)，以確定是否有抗性及 抗性程度。,（四）目的基因的檢測(cè)和表達(dá),提醒微生物常被用做受體細(xì)胞的原因是其具有繁殖快、代謝快、目的基因產(chǎn)物多的特點(diǎn)。 動(dòng)物受體細(xì)胞一般選用受精卵，植物受體細(xì)胞可以是體細(xì)胞，但需與植物組織培養(yǎng)技術(shù)相結(jié)合。,二、基因工程
17、的應(yīng)用,,1、基因工程與作物育種,、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和具優(yōu)良品質(zhì)的品種,、培育抗逆性品種,（1）基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用：,轉(zhuǎn)入向日葵基因的大豆,用基因工程的方法可以改善糧食作物的蛋白質(zhì)含量。如“向日葵豆”植株。,將細(xì)菌的抗蟲(chóng)、抗病毒、抗除草劑、抗鹽堿、抗干旱、抗高溫等抗性基因轉(zhuǎn)移到作物體內(nèi)，將從根本上改變作物的特性。如轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉。,抗蟲(chóng)的基因來(lái)自蘇云金桿菌。蘇云金桿菌形成的伴胞晶體是一種毒性很強(qiáng)的蛋白晶體，能使棉鈴蟲(chóng)等鱗翅口害蟲(chóng)癱瘓致死?？茖W(xué)家將編碼這個(gè)蛋白質(zhì)的基因?qū)俗魑?，使作物自身具有抵御蟲(chóng)害的能力。,,,,,轉(zhuǎn)魚(yú)抗寒基因的番茄,轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒,,二、基因工程的應(yīng)用,,1、基因工程與
18、作物育種,、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和具優(yōu)良品質(zhì)的品種,、培育抗逆性品種,（1）基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用：,、繁殖具有抗病能力、高產(chǎn)仔率、高產(chǎn)奶率和高質(zhì)量的皮毛等優(yōu)良品質(zhì)的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。,（2）基因工程在畜牧養(yǎng)殖業(yè)上的應(yīng)用,,、利用某些特定的外源基因在哺乳動(dòng)物體內(nèi)表達(dá)，從這些動(dòng)物的乳腺細(xì)胞中獲得人類(lèi)所需要的各種物質(zhì)，如激素、抗體及酶類(lèi)等。,注：抗蟲(chóng)基因作物的使用優(yōu)點(diǎn)：教材104頁(yè),將人的生長(zhǎng)激素基因和牛的生長(zhǎng)激素基因分別注射到小白鼠受精卵中，得到的“超級(jí)小鼠”。,超級(jí)羊,生長(zhǎng)快、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因鯉魚(yú)(中國(guó)),乳汁中含有人生長(zhǎng)激素的轉(zhuǎn)基因牛(阿根廷),導(dǎo)入人基因具特殊用途的豬,,,背上長(zhǎng)人耳的老鼠,,2、基因工程與
19、藥物研制,許多藥品的生產(chǎn)是從生物組織中提取的。受材料來(lái)源限制產(chǎn)量有限，其價(jià)格往往十分昂貴。,微生物生長(zhǎng)迅速，容易控制，適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。若將生物合成相應(yīng)藥物成分的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞內(nèi)，讓它們產(chǎn)生相應(yīng)的藥物，不但能解決產(chǎn)量問(wèn)題，還能大大降低生產(chǎn)成本。,,注：用基因工程的方法能夠高效率的生產(chǎn)出各種高質(zhì)量、低成本的藥品。,胰島素是治療糖尿病的特效藥，長(zhǎng)期以來(lái)只能依靠從豬、牛等動(dòng)物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰島素，其產(chǎn)量之低和價(jià)格之高可想而知。,將合成的人的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，每2000L培養(yǎng)液就能產(chǎn)生100g胰島素！大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)不但解決了這種比黃金還貴的藥品產(chǎn)量問(wèn)題，
20、還使其價(jià)格降低了30%-50%!,干擾素治療病毒感染簡(jiǎn)直是“萬(wàn)能靈藥”！過(guò)去從人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍貴”程度自不用多說(shuō)。,疫苗： 乙肝、狂犬病、百日咳、霍亂、傷寒、瘧疾,基因工程藥品：胰島素、干擾素、白細(xì)胞介素、溶血栓劑、凝血因子、人造血液代用品,,3、基因工程與環(huán)境保護(hù),（1）環(huán)境監(jiān)測(cè)：檢測(cè)環(huán)境中的病毒、細(xì)菌等污染。,,1t水中有10個(gè)病毒也能被檢測(cè)出來(lái),快速靈敏,,、基因工程做成的“超級(jí)細(xì)菌”能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質(zhì)。,通常一種細(xì)菌只能分解石油中的一種烴類(lèi)，用基因工程培育成功的“超級(jí)細(xì)菌”卻能分解石油中的多種烴類(lèi)化合物。有的還能吞食轉(zhuǎn)化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質(zhì)。,（2）環(huán)境污染治理,,,、通過(guò)基因重組構(gòu)建新的殺蟲(chóng)劑，取代生產(chǎn)過(guò)程中耗能多、易造成環(huán)境污染的農(nóng)藥，并試圖通過(guò)基因工程回收和利用工業(yè)廢物。,、用基因工程培養(yǎng)出“吞噬”汞和降解土壤中DDT的細(xì)菌，以及能夠凈化鎘污染的植物。,,科學(xué)是把雙刃劍，關(guān)鍵是如何使用,三、基因工程與食品安全,
高中生物 第六章 從雜交育種到基因工程課件 新人教版必修1
