1、第2节 现代生物技术在育种上的应用 1.描述转基因技术育种和细胞杂交育种等现代育种技术。2.列举现代育种技术在实践中应用的实例,探讨其前景。3.关注转基因生物及其产品引发的社会问题。一 二 三 四 一、转基因技术育种 1.概念 转基因技术是指按照人们的意愿,把一种生物的某个基因克隆出来,加以修饰和改造,再转移到另一种生物的细胞里,从而定向地改造生物的遗传性状。2.内容 目的基因的制备和目的基因导入受体细胞的过程。3.操作流程 基因分离目的基因目的基因与载体结合目的基因导入受体细胞转化组织或细胞植株再生转化与未转化的植株筛选转基因植株移苗入土选优。一 二 三 四 二、转基因植物的实例 1.198
2、3年第一例转基因植物转基因烟草。2.转基因耐贮藏番茄。3.转基因抗虫作物:转Bt基因抗虫棉、抗虫玉米、抗虫杨树和抗虫甘蓝,转植物蛋白酶抑制剂基因、转外源凝集素基因的转基因水稻、转基因棉。4.抗除草剂作物:抗除草剂玉米、油菜、大豆、棉等。一 二 三 四 三、转基因动物的实例 1.1982年美国科学家将大鼠的生长激素基因注射到小白鼠的受精卵中,获得第一只转基因“超级小鼠”。2.动物转基因技术的应用:提高产仔数或产蛋数;提高抗病能力;研制乳腺生物反应器;提高动物生长速率;改善肉的品质。一 二 四 三 四、细胞杂交育种 1.细胞杂交 细胞杂交是指将同类或不同类生物体的原生质体或体细胞,在一定的物理或化
3、学条件下进行融合形成杂种细胞,再创造条件将杂种细胞培养成完整的杂种生物个体。一 二 四 三 要想培育出如右图所示的马铃薯番茄植株,应采用哪项生物技术?提示应采用植物体细胞杂交技术。一 二 四 三 2.杂交过程 一 二 三 四 五 六 一、转基因生物与目的基因的关系 转基因生物 目的基因 目的基因从何来 抗虫棉 Bt 毒蛋白基因 苏云金芽孢杆菌 抗真菌立枯丝核菌的烟草 几丁质酶基因和抗毒素合成基因 抗盐碱和干旱作物 调节细胞渗透压的基因 耐寒的番茄 抗冻蛋白基因 鱼 抗除草剂大豆 抗除草剂基因 增强甜味的水果 降低乳糖的奶牛 甜味基因 肠乳糖酶基因 生产胰岛素的工程菌 人胰岛素基因 人 一 二
4、三 四 五 六 二、将目的基因导入不同受体细胞的比较 细胞种类 植物细胞 动物细胞 微生物细胞 常用方法 农杆菌转化法 显微注射法 Ca2+处理法 受体细胞 体细胞 受精卵 原核细胞 转化过程 目的基因插入 Ti质粒的 T-DNA 上农杆菌导入植物细胞整合到受体细胞的染色体DNA 上表达 目的基因表达载体提纯取卵(受精卵)显微注射受精卵发育获得具有新性状的动物 Ca2+处理细胞感受态细胞重组表达载体与感受态细胞混合感受态细胞吸收 DNA 分子 一 二 三 四 五 六 三、乳腺生物反应器 1.优点(1)产量高;(2)质量好;(3)成本低;(4)易提取。2.操作过程 用基因工程技术制备动物乳腺生物
5、反应器的操作过程与获得转基因动物的操作过程相同。为了使目标产品在乳汁中形成,需要使用乳腺组织中特异表达的启动子,要在编码目的蛋白质的基因序列前加上乳腺组织中特异表达的启动子构建成表达载体。操作过程大致为:获取目的基因(例如血清白蛋白基因)构建基因表达载体(在血清白蛋白基因前加特异表达的启动子)显微注射导入哺乳动物受精卵中形成胚胎将胚胎送入母体发育成转基因动物(只有在产下的雌性个体中,转入的目的基因才能表达)。一 二 三 四 五 六 3.缺点 只能是雌性个体在泌乳期时才能应用。4.成果 已在乳腺生物反应器中表达了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和-抗胰蛋白酶等重要医药产品。一 二 三 四 五 六
6、四、植物体细胞杂交 1.植物体细胞杂交是用两个来自于不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞,并把杂种细胞培育成新植株的方法。植物体细胞杂交是从细胞融合开始,到培育成新的植株结束。其生殖方式为无性生殖。2.植物体细胞杂交的实质是不同植物细胞的原生质体的融合。3.植物体细胞融合的障碍是细胞外的细胞壁,融合完成的标志是产生新的细胞壁。4.形成融合细胞的类型(只考虑细胞两两融合):体细胞融合成功以后,既有AB型杂种细胞,又能形成AA型和BB型两种融合细胞,但只有AB型细胞是植物体细胞杂交所需要的杂种细胞,因此在杂种细胞形成后还应有一个筛选过程。一 二 三 四 五 六 5.植物体细胞杂交育种的优点和局限性(
7、1)优点:植物体细胞杂交的最大突破是克服了远缘杂交不亲和的种间或属间障碍。(2)局限性:由于目前仍有许多理论和技术问题没有解决,不能让杂种植株按照人们的需要表现出亲代的优良性状。一 二 三 四 五 六 五、植物原生质体能成为植物细胞工程的理想研究材料的原因 1.容易从同一种植物材料的组织中获得大量的遗传上相同的游离原生质体。2.可以被诱导与其他物种的原生质体融合,从而克服不同物种远缘杂交不亲和的障碍,实现远缘物种间的体细胞杂交。3.可以提高变异频率,因为既可以捕获外源DNA,也可以捕获较大的细胞器,如叶绿体等,是植物遗传转化的理想受体。4.保持着植物细胞的全能性,在适宜的培养条件下,可以重新长
8、出细胞壁,进行细胞分裂、分化,形成完整的小植株。一 二 三 四 五 六 5.植物原生质体虽然没有细胞壁,但仍然进行着植物细胞的各种生命活动,包括蛋白质和核酸的合成、光合作用、呼吸作用、通过膜与外界进行物质交换等。6.原生质体膜很薄,实验操作方便,如进行基因导入和遗传转化,以及制备各种细胞器等,为遗传重组提供有用材料。一 二 三 四 五 六 六、物理和化学方法诱导原生质体融合的基本原理 1.化学融合的机制 常用化学融合方法有高pH高Ca2+法和聚乙二醇(PEG)法。高pH高Ca2+法诱导原生质体融合的基本原理是中和原生质体表面所带的电荷,使原生质体的质膜紧密接触,从而有利于质膜的接触融合。PEG
9、处理原生质体可以使原生质体聚集,促进融合。2.物理融合的机制 常用方法为电融合法。此法是先将两种原生质体以适当的比例混合成悬浮液,将其滴入电融合小室中,给小室两极以交变电流,使原生质体沿电场方向排列成串珠状,接着给以瞬间高强度的电脉冲,使原生质体膜产生局部破损而导致融合。题型一 题型二 题型三 题型一 转基因技术育种 【例1】采用基因工程的方法培育抗虫棉,下列导入目的基因的做法正确的是()将毒素蛋白注射到棉受精卵中 将编码毒素蛋白的DNA序列注射到棉受精卵中 将编码毒素蛋白的DNA序列与质粒重组导入细菌,用该细菌感染棉花体细胞,再进行组织培养 将编码毒素蛋白的DNA序列与质粒重组,注射到棉花子
10、房,并进入受精卵 A.B.C.D.解析:通过限制酶和DNA连接酶将目的基因和运载体结合,然后导入受体细胞。将毒素蛋白直接注射到棉受精卵中和将编码毒素蛋白的DNA序列注射到棉受精卵中是不对的,没有载体的帮助,它们不能表达。显微注射法是将目的基因导入动物细胞常用的方法。答案:C 题型一 题型二 题型三 题型二 植物体细胞杂交 【例2】植物体细胞杂交的过程是()用酶解法去掉细胞壁,分离出有活力的原生质体 以人工诱导法使两个不同植物的原生质体融合 用植物组织培养法培养融合的原生质体得到杂种植株 A.B.C.D.解析:植物体细胞杂交过程实际上是不同植物体细胞原生质体融合的过程,融合后形成的杂种细胞经组织
11、培养形成杂种植株。答案:D 反思领悟 首先用纤维素酶、果胶酶去掉植物体细胞的细胞壁,获得原生质体,然后利用物理或化学方法诱导原生质体融合,形成杂种细胞,最后利用植物组织培养获得杂种植株。题型一 题型二 题型三 题型三 基因重组技术的应用 【例3】下列实例中,不涉及基因重组的是()A.我国著名育种专家袁隆平利用杂交技术培育出超级水稻品种 B.科学家将大鼠的生长激素基因注射到小白鼠的受精卵中,获得转基因“超级小鼠”C.荷兰科学家将人乳高铁蛋白基因移植到牛体内并获得成功 D.乘宇宙飞船上过太空的辣椒种子结出的果实较平常的大一倍以上 解析:太空育种是利用基因突变原理,不涉及基因重组,故D项错。答案:D
12、 反思领悟 基因重组具有两种类型:一是有性生殖过程中非等位基因的重新组合;二是DNA拼接技术即基因工程。12341.下列有关基因工程的成果及应用的说法,正确的是()A.用基因工程方法培育的抗虫植物也能抗病毒 B.基因工程在畜牧业上应用的主要目的是培养体型巨大、品质优良的动物 C.任何一种假单孢杆菌都能分解4种石油成分,所以假单孢杆菌是“超级细菌”D.基因工程在农业上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗逆性的农作物 1234解析:用基因工程方法培育的抗虫植物只能抗虫,不能抗病毒;基因工程在畜牧业上的应用主要是提高动物的生长速率、改善畜产品的品质;每种假单孢杆菌只能分解石油中的一种成分,“
13、超级细菌”是用基因工程方法把能分别分解3种烃类的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌体内,创造出能同时分解4种烃类的细菌。答案:D 12342.世界上培育的第一种转基因植物和我国政府批准大面积种植的第一种转基因植物分别是()A.抗玉米螟转基因玉米和转基因金大米 B.转基因金大米和转基因油菜 C.转基因烟草和转基因抗虫棉 D.抗除草剂大豆和转基因抗虫棉 解析:世界上培育的第一种转基因植物是转基因烟草,我国政府批准大面积种植的第一种转基因植物是转基因抗虫棉。答案:C 12343.下列关于转基因植物的叙述,正确的是()A.转入到油菜的抗除草剂基因,可能通过花粉传入环境中 B.转抗虫基因的植物,不
14、会导致昆虫群体抗性基因频率增加 C.动物的生长激素基因转入植物后不能表达 D.如转基因植物的外源基因来源于自然界,则不存在安全性问题 解析:若把抗除草剂基因导入油菜的细胞核中,则会在减数分裂时进入配子,然后随花粉进入环境。抗虫植物会对捕食它的昆虫群体进行自然选择,导致昆虫群体抗性基因频率增加。条件允许时,动物基因同样可以在植物体内表达,在修饰和改造后也可以在原核生物体内表达。转基因生物的外源基因不管是来源于自然界还是由人工合成,都可能存在安全性问题。答案:A 12344.植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因是()A.植物体细胞的结构组成中不包括细胞壁 B.细胞壁使原生质体失去活力 C.细胞壁阻碍了原生质体的融合 D.细胞壁不是原生质的组成部分 解析:细胞壁阻碍了植物体细胞的杂交,所以在细胞工程中首先就要去掉细胞壁,分离出有活力的原生质体。答案:C