【本讲教育信息】
一. 教学内容：
基因突变和基因重组
染色体变异
杂交育种与诱变育种
二. 教学重点：
（1）基因突变的概念及特点。
（2）基因突变的原因。
（3）染色体数目的变异
（4）遗传和变异规律在改良农作物和培育家畜品种等方面的应用。
三. 教学难点：
（1）基因突变和基因重组的意义。
（2）染色体组的概念。
（3）二倍体、多倍体和单倍体的概念及其联系。
（4）各种育种方法的比较
四. 具体内容
（一）基因突变和基因重组
1. 基因突变
（1）基因突变的定义：由于DNA分子中发生碱基对的增添，缺失或改变而引起的基因结构的改变叫基因突变。
（2）基因突变的结果：
使一个基因变成它的等位基因（产生新的基因）可以引起一定的表现型变化
（3）基因突变的时间：主要发生在DNA复制时。
（4）基因突变的意义：提供了新的基因（有可能产生前所未有的新性状）为生物进化提供了最初的原材料，是变异的根本来源
（5）基因突变如何产生的？（诱因）
（6）基因突变的主要特点：
① 普遍性：只要内因（基因变化）和外因（诱导因素）同时存在控制任何性状的基因都可以发生突变
② 随机性：只要是在DNA复制时，在生物个体发育中的任何时期任何细胞都可以发生基因突变。
③ 突变率很低：（低频性）原因：自然状态下DNA分子结构相对稳定，具有严格的复制机制。如生殖细胞的突变率为10—5—10—8
④ 有害性：由于生物是长期进化的产物，已与环境取得了高度的协调，因此基因突变往往是有害的，如人类的遗传病，植物的白化苗，但也有少数突变是有利的，如植物的抗病性耐旱性突变，微生物的抗药性突变等。另外，突变的有害和有利，有时可以针对不同个体而言，如微生物的抗药性对人类有害，但对生物生存有利，同时突变的有利和有害还与环境因素有关，在一种环境条件下的有利突变可能会由于环境的改变而成为有害突变。
⑤ 不定向性：一个基因可以向不同的方向发生突变，产生一个以上的等位基因，但基因突变只能在控制同一性状的范围突变
2. 基因重组
（1）概念：生物体进行有性生殖的过程中，控制不同性状的基因的重新组合。
（2）类型：① 随机重组（自由组合）：减数分裂时，随非同源染色体的自由组合，非等位基因也相应自由组合。
② 交换重组（交叉互换）：减数分裂的四分体时期，由于同源染色体的非姐妹染色单体之间常发生局部交换，也能导致基因重组。
因此，基因重组一定要通过有性生殖来实现，因为只有在有性生殖的减数分裂过程中才会有基因的自由组合和交叉互换。
（3）基因重组的意义
通过有性生殖实现的基因重组，为生物变异提供了极其丰富的来源，是形成生物多样性的重要原因之一，对于生物的进化有着非常重要的意义。
3. 基因突变和基因重组的比较
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比较项目 |
基因突变 |
基因重组 |
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定义 |
碱基对的增添、缺失或改变而 引起的基因结构的改变 |
有性生殖过程中，控制不同性状的基因重新组合。 |
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时期 |
分裂间期复制过程 |
减Ⅰ分裂过程中 |
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类型 |
自然突变 诱发突变 |
随机重组 交换重组 |
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结果 |
产生新基因 |
产生新基因型 |
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意义 |
生物变异的根本来源，为进化提供最初的原材料。 |
为生物变异提供极其丰富的来源，是形成生物多样性的重要原因之一，对进化有十分重要的意义。 |
（二）染色体变异
1. 染色体组与染色体组数目的判别方法
染色体组是指细胞中形态和功能各不相同，但是携带着控制一种生物生长发育、遗传和变异的全部信息的一组非同源染色体。要构成一个染色体组应具备以下几点：
（1）一个染色体组中不含同源染色体。
（2）一个染色体组中所含的染色体形态、大小和功能各不相同。
（3）一个染色体组中含有控制生物性状的一整套基因，但不能重复。
要确定某生物体细胞中染色体组的数目，可从以下几个方面考虑：
① 根据下图判断：判断的依据是，细胞中形态相同的染色体有几条，则含有几个染色体组。如下图，甲图中形态相同的染色体有两条，故含有2个染色体组，每个染色体组含有3条染色体；同理，乙图细胞中含有3个染色体组，丙图细胞中含有4个染色体组。
② 根据基因型判断，由于相同的基因（控制同一性状的基因）位于形态相同的染色体上（或同源染色体上），所以在细胞或生物体的基因型中，相同的基因出现几次，则有几个染色体组。例如，基因型为AaBb的细胞中，含有2个染色体组；基因型为AAaBbb的细胞中，含有3个染色体组；基因型为AAaaBBbb的细胞中，含有4个染色体组。图示分别如下：
③ 根据染色体的数目和染色体的形态数来推算，染色体组的数目=
。如，果蝇体细胞中有8条染色体，分为4种形态，则染色体组的数目为2个。
2. 二倍体和多倍体
① 二倍体
由受精卵发育而成的、体细胞中含有两个染色体组的个体称为二倍体。如人、玉米、果蝇等。
雌配子中含有一个染色体组，雄配子中也含有一个染色体组，这样雌雄配子结合后形成的合子中就含有两个染色体组，这样的个体就是二倍体，在自然界中，几乎所有的动物和过半数的植物是二倍体。二倍体的生物在进行有性生殖时，通过减数分裂形成配子时，随着同源染色体的分离，二个染色体组也彼此分开，分别分配到两个配子中，所以二倍体生物产生的有性生殖细胞（精子和卵细胞）中含有一个染色体组，在其精子或卵细胞中均不存在同源染色体，也不存在等位基因。但所有染色体上的基因加在一起是一套完整的遗传信息。
② 多倍体
A. 多倍体的概念
多倍体是指体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体。
多倍体在植物中是广泛存在的，其中多数分布于被子植物中，在动物中比较少见。
三倍体：体细胞中含有三个染色体组的个体称为三倍体。如香蕉，是天然的三倍体。
四倍体：体细胞中含有四个染色体组的个体称为四倍体。如棉花、马铃薯等。
六倍体：体细胞中含有六个染色体组的个体称为六倍体。如普通小麦。
讨论：三倍体香蕉能否通过有性生殖繁殖后代?
不能。因为香蕉是三倍体植物，含有三个染色体组，其胚囊母细胞或花粉母细胞在进行减数分裂时，同源染色体配对会发生紊乱。因此不能受精结实。所以三倍体香蕉可以通过营养生殖来繁殖后代。
B. 多倍体形成的原因
自然界中产生多倍体的原因：环境条件的剧烈变化干扰了正常的有丝分裂造成的。
二倍体生物的体细胞在有丝分裂过程中，染色体完成了复制，但是受到外界环境条件（如温度骤降、暴风雨等）或生物内部因素的干扰，纺锤体的形成受到破坏以致染色体不能被拉向两极，细胞也不能形成两个子细胞，于是就形成了染色体加倍的细胞。它再通过正常的有丝分裂，就可以形成染色体加倍的组织和个体。多倍体可自发产生，也可人工诱导产生。
C. 产生多倍体的途径：
a. 减数分裂不正常，形成比正常配子中加倍的染色体数的配子，受精后发育成多倍体。
b. 受精方式造成多倍体，如被子植物的双受精，受精极核便是多倍体。
c. 物理因素或化学因素等干扰有丝分裂而导致染色体加倍，如用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，能抑制有丝分裂过程中纺锤体的形成，从而导致染色体不能被拉向两极，细胞也不能形成两个子细胞，于是就形成了染色体加倍的细胞。它再通过正常的有丝分裂，就可以形成染色体加倍的组织和个体。这是自然界中多倍体形成的原因。
D. 人工诱导多倍体在育种上的应用
人工诱导最常用、而且最有效的方法是用秋水仙素处理的种子或幼苗。
秋水仙素的作用是能够抑制纺锤体形成，导致染色体不能分离，从而引起细胞内染色体数目加倍，进而形成多倍体植株。如三倍体无籽西瓜
三倍体无籽西瓜的培育过程用图表示。
3. 单倍体
① 单倍体的概念
单倍体是指体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体。
② 单倍体的特点：植株弱小高度不育。
③ 单倍体育种
用花药离体培养的方法获得单倍体，再经过诱导使染色体数目加倍，重新恢复到正常植株的染色体数目。由于恢复的染色体是通过复制产生的，所以每对染色体的基因都是纯合的，自交产生的后代不发生性状分离，从而可以明显地缩短育种的年限。一般只需要两年即可完成。
④ 单倍体与多倍体的比较如下表：
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单倍体 |
多倍体 |
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概念 |
体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体 |
体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体 |
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自然形 成原因 |
由未经受精作用的卵细胞发育而成单倍体 |
由于自然条件剧烈变化的影响，有丝分裂过程受到阻碍，于是细胞核内染色体加倍。通过减数分裂形成染色体数目也相应加倍的生殖细胞，再经受精作用形成合子，从而发育成多倍体 |
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人工诱 导方法 |
花药离体培养 |
用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗 |
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植株 特点 |
植株弱小，高度不育 |
茎秆粗壮，叶片、果实和种子都比较大，糖类和蛋白质等营养成分的含量都有所增高，但发育延迟，结实率降低 |
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意义 |
单倍体幼苗，用秋水仙素处理，使染色体数目加倍，可迅速获得纯系植株，缩短育种年限，提高育种效率 |
选育多倍体新品种，如三倍体无子西瓜、八倍体小黑麦 |
（三）杂交育种与诱变育种
1. 杂交育种
（1）概念
杂交育种是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。
（2）原理
基因重组，即同源染色体上非姐妹染色单体之间的基因互换和非同源染色体上的非等位基因的自由组合。杂交育种不会创造新基因，只是实现了原有基因的重新组合。
（3）过程举例：
现有两个小麦品种：一种是高产、不抗病，另一种是低产、抗病，用杂交育种的方法就可得到高产、抗病的品种，如下所示：
从后代中挑选出符合高产、抗病条件的植株，采收种子留下来作种。如此经过汰劣留良的选择过程，就可以得到新的优良品种了。
（4）优点
可将两个或多个优良性状集中在一个个体上。
（5）缺点
杂交后代会出现性状分离，需要连续自交，使其基因型趋于纯合（即纯合子个体逐年增多，杂合子个体逐年减少）。因此，杂交育种进程缓慢，育种周期长（一般需要5~6年的时间），过程较复杂；只能利用已有的基因的重组，不能创造新基因；只能进行本物种或亲缘关系较近的物种杂交，不能克服远缘杂交不亲和性的障碍。
2. 诱变育种
（1）概念
诱变育种是利用物理因素（如X射线、γ射线、紫外线、激光等）或化学因素（如亚硝酸、硫酸二乙酯等）来处理生物，使生物发生基因突变，从而培育出生物新品种。
（2）优点
① 大大提高突变频率；② 大幅度地改良某些性状；③ 较短时间内获得稳定遗传的个体（即缩短了育种时间）。
（3）缺点
因为基因突变具有不定向性和突变率低等特点，所以诱变育种具有一定的盲目性，需要大量地处理生物材料，再进行选择培育。
3. 各种育种方法的比较
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方法 |
实例 |
原理 |
优缺点 |
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杂交育种 |
杂交后让其杂交后代多代自交，依育种目标代代选育获得稳定遗传类型 |
小麦抗锈病类型的获得 |
运用分离规律，杂合体自交后代出现性状分离，按育种要求，人工多代选育和提纯即可获得 |
需要对杂交后代多代选育才能比较纯，所以育种年限较长 |
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通过杂交使亲本优良性状结合在一起，从中选育稳定类型 |
水稻无芒抗病类型的获得 |
运用自由组合定律，会在F2出现亲本优良性状的组合，再对其进行多代人工选育、提纯，即可获得 |
同上 |
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人工诱变育种 |
黑农五号大豆、青霉素高产菌株的获得 |
用物理、化学方法处理，使基因结构发生改变 |
变异频率高，稳定较快，育种进程缩短，能大幅度改变某些性状。但需大量处理供试材料。 |
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单倍体育种 |
普通小麦、水稻、烟草的花药离体培养 |
实际上是花粉粒直接培育出单倍体植株经人工诱导，使染色体加倍，形成纯合体 |
自交后代不发生性状分离，可以缩短育种年限，只需2年 |
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多倍体育种 |
三倍体无子西瓜、八倍体小黑麦的获得 |
重要是通过秋水仙素等化学物质处理，使细胞内染色体加倍而获得 |
茎秆粗壮，叶片、果实，种子较大，营养物质含量多。但发育延迟，结实率低。 |
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【典型例题】
[例1] 玉米自交系中，常出现一定比例的白化苗。这种苗由于缺乏叶绿素，不能进行光合作用而死亡。产生白化苗的根本原因是（ ）
A. 缺少阳光 B. 基因突变
C. 隐性基因纯合 D. 染色体变异
答案：B
解释：产生白化苗的根本原因是基因突变。突变产生的基因不能控制某种酶的合成，进而影响叶绿素的合成反应，导致白化性状的出现。
[例2] 下列关于人工诱变育种的优点不正确的是（ ）
A. 提高变异频率 B. 后代性状稳定快
C. 普遍提高产量 D. 大幅度改良某些性状
解析：人工诱变是基因结构的改变，因此可引起性状的大幅度改变，提高变异频率。后代性状较快稳定。但诱变一般是有害的，多数情况会降低产量。
答案：C
[例3] 在下列有关育种的叙述中，正确的（ ）
A. 培育无子西瓜是利用生长素促进果实发育的原理
B. 培育八倍体小黑麦是利用染色体变异的原理
C. 我国用来生产青霉素的菌种的选育原理和杂交育种的原理相同
D. 培育无子番茄是利用基因重组原理
解析：无子西瓜是利用染色体变异原理；青霉素菌种的选育是利用基因突变原理；杂交育种是基因重组原理；无子番茄是利用生长素促进果实发育的原理
答案：B
[例4]
用四倍体西瓜与二倍体西瓜杂交所得的子一代植株开花后，经适当处理，则（ ）
A. 能产生正常配子，结出种子形成果实 B. 结出的果实为5倍体
C. 不能产生正常配子，但可形成无子果实 D. 结出的果实为3倍体
解析：用四倍体西瓜与二倍体西瓜杂交所得的子一代为三倍体，体细胞含有三个染色体组，在减数分裂的过程中，染色体联会紊乱，因而不能产生正常的生殖细胞，但经适当处理（如授以2倍体花粉，可刺激子房发育成果实
答案：C、D
[例5]
下列关于单倍体，叙述正确的是（ ）
① 单倍体只含有一个染色体组
② 单倍体只含有一条染色体
③ 单倍体是含有本物种配子染色体数目的个体
④ 单倍体只含有一对同源染色体
⑤ 未受精的配子发育成的个体是单倍体
A. ①⑤
B. ③⑤
C. ②③
D. ④⑤
解析：对单倍体定义及理解的考察。注意常见的错误思维，误认为：单倍体只含有一个染色体组。
答案：B
[例6] 以下有关基因工程的叙述，正确的是（ ）
A. 基因工程是细胞水平上的生物工程
B. 基因工程的产物对人类都是有益的
C. 基因工程产生的变异属于人工诱变
D. 基因工程育种的优点之一是目的性强
解析：基因工程是分子水平上的生物工程；产物对人类既有利又有弊，如转基因作物可以按人类的意愿产生特定产品，但基因污染对人类有害；基因工程的变异属基因重组。
答案：D
[例7]（97·上海）水稻的某3对相对性状，分别由位于非同源染色体上的3对等位基因控制。利用它的花药进行离体培养，再用浓度适当的秋水仙素处理，经此种方法培育出的水稻植株，其表现型最多可有（ ）
A.
1 B.
解析：3对等位基因，分别位于3对同源染色体上，根据基因的自由组合定律，该水稻可产生8种不同的配子，经离体培养.秋水仙素处理培育出的水稻植株全为纯合体，基因型8种，表现型也是8种。
答案：C
【模拟试题】（答题时间：30分钟）
1. 将纯种小麦种于生产田，发现边际和灌水两侧的植株总体上比中间的长得好。产生这种现象的原因是（ ）
A. 基因重组引起性状分离
B. 环境引起性状变异
C. 隐性基因突变成为显性基因
D. 染色体结构和数目发生了改变
2. 某男子是白化病基因携带者，其细胞中可能不含该致病基因的是（ ）
A. 神经细胞 B. 精原细胞 C. 淋巴细胞 D. 精细胞
3. 下面列举几种可能诱发基因突变的原因，其中哪项是不正确的（ ）
A. 射线的辐射作用 B. 杂交 C. 激光照射 D. 秋水仙素处理
4. 镰刀型细胞贫血症是一种遗传病，隐性纯合子（aa）的患者不到成年就会死亡，可见这种突变基因在自然选择的压力下容易被淘汰。但是在非洲流行恶性疟疾(一种死亡率很高的疾病)的地区，带有这一突变基因的人（Aa）很多，频率也很稳定。对此现象的合理解释是（ ）
A. 杂合子不易感染疟疾，显性纯合子易感染疟疾
B. 杂合子易感染疟疾，显性纯合子不易感染疟疾
C. 杂合子不易感染疟疾，显性纯合子也不易感染疟疾
D. 杂合子易感染疟疾，显性纯合子也易感染疟疾
5. 某地区一些玉米植株比一般玉米植株早熟、生长整齐，而且健壮、果穗大、籽粒多，因为这些植株可能是（ ）
A. 单倍体
B. 三倍体
C. 四倍体
D. 杂交种
6. 四倍体水稻的花粉经离体培养得到的单倍体植株中，所含的染色体组数是（ ）
A. 1组
B. 2组
C. 3组
D. 4组
7. 下列四个细胞图中，属于二倍体生物精子细胞的是（ ）
8. 人类单倍体基因组是指存在于多少条染色体上的全部遗传信息（ ）
A. 22条常染色体
B. 22条常染色体+X染色体
C. 22条常染色体+Y染色体
D. 22条常染色体+X染色体+Y染色体
9. 将基因型为AA和aa的两个植株杂交，得到F1植株再进一步作如下图解所示的处理，请分析回答：
（1）乙植株的基因型是 ，属于
倍体。
（2）用乙植株的花粉直接培育出的后代属于
倍体，其基因型及其比例是
。
（3）丙植株的体细胞中有 个染色体组，基因型有
种。
10. 下图是我国育种学家培育异源八倍体小黑麦的过程图。试分析回答：
（1）A、B、D、R四个字母代表 。
（2）F1之所以不育，是因为 。
（3）F1人工诱变成多倍体的常用方法是
。
（4）八倍体小黑麦的优点是 。
11. 现有三个番茄品种，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。三对等位基因分别位于三对同源染色体上，并且分别控制叶形、花色和果形三对相对形状、状。请回答：
（1）如何运用杂交育种方法利用以上三个品种获得基因型为aabbdd的植株？（用文字简要获得过程即可）
（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？
（3）如果要缩短获得aabbdd植株时间，可采用什么方法？（写出方法的名称即可）
12. 低温诱导植物染色体数目变化
（1）将洋葱放在装满清水的广口瓶，让洋葱的的 接触水面。待洋葱长出 cm左右的不定根时，将整个装置放入冰箱的低温室（
（2）剪去诱导处理的根尖约0.5—
（3）制作装片，包括： 、 、 和 4个步骤，具体操作方法与“ ”实验相同。
（4）先用低倍镜寻找 形态较好的分裂相。视野中既有正常的二倍体细胞，也有染色体数目发生发生改变的细胞，发生染色人体数目变化的细胞中染色体数目可能为正常细胞的 倍。确认某个细胞发生染色体数目变化后、再用 观察。
13. 属于分子水平上的育种工作是（ ）
A. 辐射育种 B. 杂交育种 C. 单倍体育种 D. 多倍体育种
14. 诱变育种、杂交育种的理论依据分别是（ ）
A. 基因重组、基因突变 B. 基因突变、基因重组
C. 基因突变、基因分离 D. 基因重组、基因分离
15. 下列关于人工诱变育种的优点的叙述，不正确的是（ ）
A. 提高变异频率 B.
后代性状稳定快
C. 普遍提高产量
D.
大幅度概率某些性状
16. 人工诱导生物发生基因突变是创造生物新类型的重要方法，这是因为（ ）
A. 易得大量有利突变体 B. 可按计划定向改良
C. 变异频率高，有利变异较易稳定 D. 含A、B、C三项
【试题答案】
1. B 2. D 3. B 4. A 5. D 6. B 7. D 8. D
9.（1）AAaa 四 （2）单 AA：Aa：aa＝1：4：1 （3）两 3
10.（1）来源于四个物种的4个染色体组
（2）它产生配子时，染色体不能两两配对形成四分体
（3）用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗的生长点，使其染色体数目加倍
（4）耐土壤贫瘠、耐寒冷、面粉白、蛋白质含量高
11.（1）A与B杂交得到杂交一代，杂交一代与C杂交，得到杂交二代，杂交二代自交可以得到基因型为aabbcc的种子，该种子播种后可得到aabbdd的植株。（2）4年。（3）单倍体育种技术。
12.（1）底部；1 （2）细胞的形态；酒精 （3）解离；漂洗；染色；制片；观察植物细胞的有丝分裂（4）染色体；两；高倍镜
13. A 14. B 15. C 16. C