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1、第第1 1节节 杂交育种与诱变育种杂交育种与诱变育种 九十年代后期,美国学者布朗抛出“中国威胁论”,撰文说到下世纪年代,中国人口将达到亿,到时谁来养活中国,谁来拯救由此引发的全球性粮食短缺和动荡危机?袁隆平培养杂交水稻过程中,他利用了哪袁隆平培养杂交水稻过程中,他利用了哪一种变异的原理?一种变异的原理?袁隆平袁隆平 一个属于中国一个属于中国也属于世界的名字也属于世界的名字他发起的他发起的“第二次绿色革命第二次绿色革命”给整个人类带来了福音给整个人类带来了福音。袁隆平袁隆平:农学家、杂交水稻育种专家。农学家、杂交水稻育种专家。1995年当年当选为中国工程院院士。选为中国工程院院士。年份年份197
2、820002010种类种类普通水稻普通水稻普通水稻普通水稻&杂交水稻杂交水稻杂交水稻杂交水稻产量产量(吨吨/每公顷)每公顷)3.5单产达到单产达到6.34 预计预计13.5中国于中国于年提出年提出超级杂交水稻培育计划。超级杂交水稻培育计划。推广应用杂交水稻所增产的稻谷每年可养活推广应用杂交水稻所增产的稻谷每年可养活70007000多万多万人口。到人口。到20042004年底止,杂交水稻在中国已累计推广约年底止,杂交水稻在中国已累计推广约3 3亿公顷,增产稻谷约亿公顷,增产稻谷约4.54.5亿吨,成为中国解决粮食问亿吨,成为中国解决粮食问题的题的关键技术关键技术。贡献贡献v 如今,我国大江南北的
3、农田普遍种如今,我国大江南北的农田普遍种上了袁隆平研制的杂交水稻。杂交水稻上了袁隆平研制的杂交水稻。杂交水稻的大面积推广应用,为我国粮食增产发的大面积推广应用,为我国粮食增产发挥了重要作用。杂交水稻被世界誉为中挥了重要作用。杂交水稻被世界誉为中华民族的华民族的“第五大发明第五大发明”。v袁隆平的杂交水稻引起了世界的关注,袁隆平的杂交水稻引起了世界的关注,许多国家的专家到中国来取经,印度、许多国家的专家到中国来取经,印度、越南等越南等2020多个国家和地区还引种了杂交多个国家和地区还引种了杂交水稻。袁隆平的努力,也为解决世界粮水稻。袁隆平的努力,也为解决世界粮食短缺问题作出了贡献。食短缺问题作出
4、了贡献。一、杂交育种一、杂交育种 是将两个或多个品种的优良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,获得新品种的方过选择和培育,获得新品种的方法。法。例例例例1 1 1 1:小麦高秆(小麦高秆(小麦高秆(小麦高秆(D D D D)对矮秆()对矮秆()对矮秆()对矮秆(d d d d)为显性,抗锈病)为显性,抗锈病)为显性,抗锈病)为显性,抗锈病(T T T T)对不抗锈病()对不抗锈病()对不抗锈病()对不抗锈病(t t t t)为显性,现有纯合的高秆抗锈病的)为显性,现有纯合的高秆抗锈病的)为显性,现有纯合的高秆抗锈病的)为显性,现有纯合的
5、高秆抗锈病的小麦(小麦(小麦(小麦(DDTTDDTTDDTTDDTT)和矮秆不抗锈病的小麦()和矮秆不抗锈病的小麦()和矮秆不抗锈病的小麦()和矮秆不抗锈病的小麦(ddttddttddttddtt),如果你是),如果你是),如果你是),如果你是袁隆平,怎样才能得到矮秆抗病的优良品种(袁隆平,怎样才能得到矮秆抗病的优良品种(袁隆平,怎样才能得到矮秆抗病的优良品种(袁隆平,怎样才能得到矮秆抗病的优良品种(ddTTddTTddTTddTT)?)?)?)?想一想:植物杂交育种的方法想一想:植物杂交育种的方法练习练习1 1:某作物的高秆(:某作物的高秆(A A)对矮秆()对矮秆(a a)为显性,)为显性
6、,感病(感病(R R)对抗病()对抗病(r r)为显性。)为显性。AaAa和和RrRr是位于是位于非同源染色体上的两对等位基因。今有高秆抗非同源染色体上的两对等位基因。今有高秆抗病和矮秆感病纯种,人们希望利用杂交育种的病和矮秆感病纯种,人们希望利用杂交育种的方法在最少的世代内培育出矮秆抗病新类型。方法在最少的世代内培育出矮秆抗病新类型。应该采取的步骤是:应该采取的步骤是:(1 1)_(2 2)_(3 3)_让高秆抗病与矮杆感病的品种进行杂交得到让高秆抗病与矮杆感病的品种进行杂交得到F1F1自交得到自交得到F2在在F2群体中选出矮杆抗病的植株群体中选出矮杆抗病的植株试一试动物的杂交育种方法试一试
7、动物的杂交育种方法假设现有长毛立耳猫(假设现有长毛立耳猫(假设现有长毛立耳猫(假设现有长毛立耳猫(BBEEBBEEBBEEBBEE)和短毛折耳猫(和短毛折耳猫(和短毛折耳猫(和短毛折耳猫(bbeebbeebbeebbee),你能否培育),你能否培育),你能否培育),你能否培育出能稳定遗传的长毛折耳猫(出能稳定遗传的长毛折耳猫(出能稳定遗传的长毛折耳猫(出能稳定遗传的长毛折耳猫(BBeeBBeeBBeeBBee)?写出育种方案(图解)?写出育种方案(图解)?写出育种方案(图解)?写出育种方案(图解)长毛折耳猫长毛折耳猫短毛折耳猫短毛折耳猫长毛立耳猫长毛立耳猫长毛立耳长毛立耳 短毛折耳短毛折耳BB
8、EEbbee长毛立耳长毛立耳 BbEe长毛立耳长毛立耳BbEe长立长立 长折长折 短立短立 短折短折BbeeBBeeBBeeBbeebbeebbee长折长折 短折短折长折长折 长折长折 短折短折杂交杂交F1间间交配交配选优选优测交测交 F3长折长折 短折短折一、杂交育种一、杂交育种原理:原理:基因重组基因重组方法:方法:优点:优点:使位于不同个体上的多个优良性状集中于一个使位于不同个体上的多个优良性状集中于一个个体上,即个体上,即“集优集优”,能产生新的基因型。能产生新的基因型。缺点:缺点:育种所需时间较长育种所需时间较长,只能进行本物种或亲缘关系较近,只能进行本物种或亲缘关系较近的物种杂交的
9、物种杂交,杂交后代易出现性状分离,杂交后代易出现性状分离,不能克服远缘不能克服远缘杂交不亲合的障碍。杂交不亲合的障碍。应用:应用:用纯种高秆抗病小麦与纯种矮秆不抗病小麦培育用纯种高秆抗病小麦与纯种矮秆不抗病小麦培育矮秆抗病小麦矮秆抗病小麦 杂交杂交自交自交选优选优 自交自交杂交育种不能创造新的基因,杂交育种不能创造新的基因,并且所需时间要长,那有没有并且所需时间要长,那有没有能出现意想不到的结果,并且能出现意想不到的结果,并且需要时间相对要短的育种方法需要时间相对要短的育种方法呢?呢?二、诱变育种二、诱变育种 利用物理因素(如利用物理因素(如X X射线,紫射线,紫外线,激光等)或化学因素(如外
10、线,激光等)或化学因素(如亚硝酸等)处理生物,使生物发亚硝酸等)处理生物,使生物发生基因突变。生基因突变。能引起基因突变的方法有三大类:能引起基因突变的方法有三大类:物理方法有:物理方法有:化学方法有:化学方法有:生物方法有:生物方法有:紫外线、紫外线、X X射线、激光等射线、激光等亚硝酸、硫酸二乙酯等亚硝酸、硫酸二乙酯等病毒等病毒等诱变育种诱变育种 医药工业应用的青霉素就是利用普通青霉菌,经过X射线的照射,产生的有利突变型。还有医学上应用的其他抗菌素如链霉素、地霉素、金霉素等,经辐射处理的突变系,比原始品系抗菌素产量增长几十倍到几百倍,促进和提高了抗菌素的生产。在作物方面,应用诱变育种我国已
11、培育出100多种水稻、小麦、玉米、大豆等优良品种。例如用射线处理籼稻干种子,选出提早成熟15天的新品种,丰产等性状仍旧保持下来,而且米粒中的蛋白质的含量提高很多。又如用射线和其他诱变剂处理大豆,培育出一种新品种。这品种含有改变了的酶系,在同样的施肥和管理条件下可提高产量50%。诱变育种诱变育种太空育种太空育种 利用太空环境研究植物生长发育和遗传变异的讲究始于上世纪60年代初期,迄今已有40多年的历史。前苏联(俄罗斯)、美国空间植物学研究的主要目标,定位在以探索空间条件下植物生长发育规律,改善空间人类生存的小环境,解决宇航员的食品供给及生存安全等,这是为了将来“太空里的人类”。即使美国航空航天局
12、于1995年建立了引力生物学中心,重点研究植物对引力的感受和反应,但其最终目标仍是开发出更加适于太空旅行的植物。而我国的太空育种则把更多的注意力投向如何利用空间环境资源,开辟选育植物优良品种的新途径,这是为了现在“地球上的人类”。因为目的的不同,导致现在有“中国已经走上太空育种的最前沿”一说。v自从1987年8月5日我国第一次利用返回式卫星搭载植物种子以来,已成功进行了10余次航天育种试验。前后共有70多种植物1000多个品种的植物种子经过太空育种,共吸引全国23个省市的70多个单位参与种子搭载试验。奇迹出现了水稻出现了大穗、大粒、优质、高产的效果,经航天诱变育种培育出的航育1号水稻新品种株高
13、降低14厘米,生长期缩短13天,增产5%-10,累计已推广30万亩。华航一号水稻新品种穗大,粒多、结实率高,可增产10,亩产达500公斤以上,已推广100万亩以上;小麦获得许多矮秆,丰产、早熟的后代作物,产量增长1015;青椒的优势亦很明显,长势十分喜人,已培育出一些高产、优质、抗病能力强的新品系,一种名叫872青椒,一个在250克以上,亩产5000公斤左右,维生素C含量增加20。苹果平均重量从90克提高到160克,亩产比地面良种对照组高30以上,丰产年份还达到122。江西广昌县利用航天育种培植出了特大粒白莲种卫星3号,每粒莲子重24克以上,比常规品种可增产60。诱变育种诱变育种太空育种太空育
14、种空间生命科学空间生命科学:高真空高真空(108pa)微重力微重力(104g)强辐射强辐射(尤其是危害尤其是危害性极大的性极大的HZE)与杂交育种相比,诱变育种有什么优与杂交育种相比,诱变育种有什么优点?联系基因突变的特点,谈谈诱变育种点?联系基因突变的特点,谈谈诱变育种的局限性。的局限性。诱变育种的突出优点是:提高变异的频率,加速育种进程。大幅度地改良某些性状。缺点:难以控制突变方向,无法将多个优良性状组合,有利性状比较少,需要大量处理实验材料。例例4:我我国国运运用用返返回回式式运运载载卫卫星星搭搭载载水水稻稻种种子子,返返回回地地面面后后种种植植,培培育育出出的的水水稻稻穗穗长长粒粒大大
15、,亩亩产产达达600kg,最最高高达达750kg,蛋蛋白白质质含含量量增增加加8%-20%,生生长长期期平平均均缩缩短短10天天。请回答:请回答:(1 1)水稻产生这种变异的来源是)水稻产生这种变异的来源是_ _ _ _,产生变异,产生变异的原因是的原因是_。基因突变基因突变 各种宇宙射线和失重的作用,使基因的分子各种宇宙射线和失重的作用,使基因的分子结构发生改变。结构发生改变。(2)这种方法育种的优点有)这种方法育种的优点有_。能提高变异频率,加速育种进程,并能大幅度能提高变异频率,加速育种进程,并能大幅度改良某些性状改良某些性状 二、诱变育种二、诱变育种原理:原理:基因突变基因突变 方法:
16、方法:物理方法物理方法(紫外线、紫外线、射线、失重等射线、失重等)或化学方或化学方法法(亚硝酸、硫酸二乙酯等亚硝酸、硫酸二乙酯等)处理植株,再选择处理植株,再选择符合要求的变异类型符合要求的变异类型 优点:优点:产生新基因和新的性状,能提高变异的频率,产生新基因和新的性状,能提高变异的频率,后代变异性状能较快稳定,加速育种进程。后代变异性状能较快稳定,加速育种进程。缺点:缺点:有利个体不多,须大量处理供试材料有利个体不多,须大量处理供试材料 ,工作,工作量大量大 。应用应用:太空辣椒的培育太空辣椒的培育 、青霉菌的选育青霉菌的选育等等微生物的育种方面微生物的育种方面杂交育种杂交育种诱变育种诱变
17、育种多倍体育种多倍体育种单倍体育种单倍体育种处处理理原原理理优优点点缺缺点点三、比较各种育种的方法三、比较各种育种的方法例题例题5 5:假设水稻抗病(:假设水稻抗病(R R)对感病()对感病(r r)为显性,高杆)为显性,高杆(T T)对矮杆()对矮杆(t t)为显性。现有纯合的抗病高杆水稻)为显性。现有纯合的抗病高杆水稻和感病矮杆水稻。为了在较短的年限内培育出稳定遗和感病矮杆水稻。为了在较短的年限内培育出稳定遗传的抗病矮杆水稻,可采取以下步骤:传的抗病矮杆水稻,可采取以下步骤:将纯合的抗病高杆水稻和感病矮杆水稻杂交,得到杂交将纯合的抗病高杆水稻和感病矮杆水稻杂交,得到杂交种子。播种这些种子,长出的植株可产生基因型为种子。播种这些种子,长出的植株可产生基因型为_的花粉。的花粉。采用采用_的方法得到单倍体幼苗。的方法得到单倍体幼苗。用用_处理单倍体幼苗,使染色体加倍。处理单倍体幼苗,使染色体加倍。采用采用_的方法,鉴定出其中的抗病植株。的方法,鉴定出其中的抗病植株。从中选择表现抗病的矮杆植株,其基因型应是从中选择表现抗病的矮杆植株,其基因型应是_。RT,Rt,rT,rt花药离体培养花药离体培养秋水仙素秋水仙素病原体感染病原体感染RRtt
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