1、教材解读 第 6 章包括 2 节：第 1 节杂交育种与诱变育种和第 2 节基因工程及其应用 。 前 5 章集中讲述了遗传和变异的基本原理，由于这些内容是按照科学史的线索展开的，为 使主线清晰，层次分明，较少涉及这些原理在生产实践上的应用。实际上人类将遗传和变 异原理应用于生产实践由来已久，并且随着认识的深入，技术的改进，应用的范围日益广 泛，效果日益显著。本章将集中讲述遗传和变异原理在实践上的应用，并且是按照技术发 展历程的线索来展开内容的，以期使学生在了解遗传学原理的应用的同时，在“科学、技 术、社会” （STS）方面有更多的思考，获得更多的启示。第 1 章的分离定律与自由组合定 律，为理解
2、本章介绍的传统育种方法所依据的遗传学原理打下了基础。第 3 章中有关 DNA 的结构、基因的本质，第 4 章中基因指导蛋白质的合成等内容，是学习本章基因工程及其 应用的基础。第 5 章中有关基因突变的内容是学习本章诱变育种的基础。其教学内容的结 构如下表： 单元目标 一、知识方面 简述基因工程的原理及其应用。 二、情感态度与价值观方面 1关注转基因生物和转基因食品的安全性。 2讨论从杂交育种到基因工程的发展历程中，科学、技术和社会的相互作用。 三、能力方面 进行转基因生物和转基因食品安全性的资料搜集和分析。 学法导航 第 6 章第 1 节杂交育种与诱变育种对应于课程标准的要求“搜集生物变异在育
3、种 上应用的事例” ，对学生在知识层面的要求是达到理解水平。第 2 节基因工程及其应用 对应于课程标准的要求“关注转基因生物和转基因食品的安全性” ，对学生在情感目标上的 要求是达到反应（认同）水平。 本章内容围绕遗传学原理和规律在生产生活中的应用展开。通过截取三个具有代表性 的阶段，即杂交育种、诱变育种和基因工程，再现了人类应用遗传学原理和规律对其他生 物利用和改造的历程，体现了科学与技术的互动。 第 1 节杂交育种与诱变育种从古人驯化野生动物、栽培植物的历史谈起，引入选 择育种的方法，并指出其局限性。然后以小麦杂交育种为例，介绍了杂交育种的概念及其 在生产生活中的实际应用，进而通过“思考与
4、讨论”栏目引导学生思考杂交育种的方法存 在哪些不足。在认识其局限性后，教材介绍了诱变育种的方法，通过实例说明诱变育种的 重要作用，引导学生思考诱变育种与杂交育种相比有哪些优势，并联系基因突变的特点， 讨论诱变育种的局限性。教材通过这样递进的发展历程，说明超越已有技术的局限是育种 技术不断完善与发展的动力和原因，有利于学生认识科学技术的本质。 第 2 节基因工程及其应用首先简要介绍了基因工程的原理，使学生对基因工程有 一个基本的认识。为了避免与现代生物科技专题模块中基因工程的内容重复，教材没 有过多地展开介绍。然后，教材结合实例介绍了基因工程在作物育种、药物研制、环境保 护等方面的应用，最后将重
5、点放在对转基因生物和转基因食品安全性的讨论上。教材安排 了一则“资料分析” ，分左右两栏列举了两种对立的观点，并在每种观点下都提供了一部分 资料，为学生展开讨论设置了具体情境。 课时分配 第 6 章包括 2 节：第 1 节杂交育种与诱变育种和第 2 节基因工程及其应用 。本 章教学可用 3 课时，其中第 1 节可用 1 课时，第 2 节可用 2 课时。 备课资源 2超级稻和中国的超级稻计划 超级稻是采用理想株型塑造与籼粳杂种优势利用相结合，兼顾品质与抗性的技术路线 选育的大幅度提高产量（大面积推广增产 15%）的新型水稻品种。中国超级稻育种研究主 要包括南方的超级杂交稻和北方的常规超级稻两大部
6、分。 在世界水稻生产发展的历史上，单产曾出现过两次大的突破。第一次始于 20 世纪 50 年代的矮化育种，即株型改良。第二次源于上世纪 70 年代杂交稻的培育成功与推广，即杂 种优势利用。两次飞跃以后，在相当长一段时期内，水稻最高单产一直在 550 公斤左右徘 徊。 水稻在中国粮食生产中处于举足轻重的地位，年播种面积占总面积 30%，总产约占粮 食总产的 40%，以稻米为主食的人口约占 60%。在中国水稻育种发展史上，单产曾经出现 过两次重大突破。第一次是始于 20 世纪 50 年代末 60 年代初的矮化育种。其主要成就在于 通过降低株高，使品种的耐肥抗倒性和收获指数大幅度提高。第二次是出现在
7、 20 世纪 70 年代初期的杂种优势利用。使中国水稻的产量水平平均亩产提高到 400 公斤以上，高产地 区突破 500 公斤以上，进入世界先进水平。 为了实现水稻单产的再次突破，农业部于 1996 年率先立项支持“中国超级稻育种及栽 培体系”项目，确立了常规稻和杂交稻并举、三系法和两系法并重、生物技术与常规技术 相结合的发展思路，在着力提高产量潜力的同时，注重改善稻米品质、增强病虫抗性和生 态适应性，并提出了“最高单产 2000 年达到 700 公斤（一期） 、2005 年达到 800 公斤（二 期） 、2010 年达到 900 公斤（三期） ”的研究目标。以促进水稻单产的第三次飞跃，为确保
8、 中国粮食安全提供重要的科技支撑。 3品种的定义 作物品种起源于野生植物，在野生植物中并没有品种之分。人类在栽培过程中为了满 足自己的需要，经过长期选择和培育，使野生植物的性状向着人类需要的方向发展，才培 育出各种作物品种。 品种是指人类在一定的生态条件和经济条件下，根据需要而创造的具有一定经济价值、 遗传性比较一致的家养动物或栽培植物的类型。品种是一种经济上的类别，是一种农业生 产资料，在生产实践中经人类选择、培育而得，能适应一定的自然、饲养或栽培条件。作 为品种的生物具有相对稳定的遗传性，在一定地区和一定栽培条件下，在产量、品质、生 育期、抗性和适应性等方面符合人类生产、生活的需要，并能用
9、普通的繁殖方法保持其稳 定性。 4杂种优势与杂交育种的区别 杂种优势是生物界普遍存在的现象。它是指基因型不同的亲本个体相互杂交产生的杂 种第一代，在生长势、生活力、繁殖力、抗逆性、产量和品质等一种或多种性状上优于两 个亲本的现象。杂种优势具有以下特点：杂种优势不是某一两个性状单独表现突出，而是 许多性状综合表现突出；杂种优势的大小，取决于双亲的遗传差异和互补程度；亲本基因 型的纯合程度不同，杂种优势的强弱也不同；杂种优势在 F1 代表现最明显，F 2 代以后逐渐 减弱。杂种优势在性状上表现为不同类型，如营养体发育较旺的营养型、生殖器官发育较 旺的生殖型和对外界不良环境适应能力较强的适应型。育种
10、实践上，人们常利用杂种优势 获得较好的经济性状。 早在 2000 多年前，我国劳动人民就用马和驴交配而获得体力强大、耐力好的杂种 骡，首创了利用杂种优势的先例。杂种优势在植物中更是非常普遍的现象。为什么杂交种 F1 会有优势呢？这是一个比较复杂的问题，人们从多个方面对其机理进行了研究。一种比 较通俗的解释是：一般来说，多数显性基因有利于个体的生长发育，而相对的隐性基因不 利于生长和发育。通过杂交，亲本双方带入子代杂合子中的显性（有利）基因掩盖了隐性 （有害）基因，因而表现出有利于生长发育的杂种优势。 杂交育种通常是指把不同遗传类型的动物或植物进行交配，使优良性状结合于杂种后 代中，通过培育和选
11、择，创造出新品种的方法。它是动植物育种工作的基本方法之一。在 杂交育种中应用最为普遍的是品种间杂交（两个或多个品种间的杂交） ，其次是远缘杂交 （种间以上的杂交） 。 生产上，常常把用杂交方法培育优良品种或利用杂种优势都称为杂交育种，事实上， 两者之间是有区别的。杂交育种过程就是要在杂交后代众多类型中选留符合育种目标的个 体进一步培育，直至获得优良性状稳定的新品种。杂交育种不仅要求性状整齐，而且要求 培育的品种在遗传上比较稳定。品种一旦育成，其优良性状即可相对稳定地遗传下去。杂 种优势则主要是利用杂种 F1 代的优良性状，而并不要求遗传上的稳定。作物育种上就常常 在寻找某种杂交组合，通过年年配
12、制 F1 代杂交种用于生产的办法，取得经济性状，而并不 要求其后代还能够保持遗传上的稳定性。 5太空育种简介 太空育种主要是利用返回式卫星和高空气球所能达到的空间环境，通过强辐射、微重 力和高真空等条件诱发植物种子的基因发生变异的作物育种新技术。经历过太空遨游的农 作物 以核技术为核心植物诱变遗传操作技术，在植物遗传改良上有其独特的作用。首先， 这项技术能够诱发出各种有用的突变基因，有时能诱发产生自然界稀有的或未曾有过的或 用一般常规方法难以获得的新类型、新性状、新基因，特别是在现在种群资源库中极为缺 乏新的基因、当前遗传资源日益枯竭的状况下，采用诱发突变的方法来对已消失的有用的 基因进行人工
13、再创造，显得尤为重要。第二，能够在原有遗传背景基本不变的情况下，直 接使植物体出现新的有用性状的变异，也就是较易诱发点突变，可在较短时间内使植物改 良，从而缩短育种进程，提高作物改良效率。第三，能够适用于杂交育种所不能适用的营 养繁殖植物、无融合生殖植物。第四，能够诱发出现染色体结构和数目上的变异，促成易 位系及非整倍体的发生。第五，与转基因技术，细胞融合技术结合，可促成原生质体非对 称细胞融合，提高外源基因整合程度，提高转化效率。所以说，植物诱变遗传操作技术是 创造新种质、选育新品种的有效途径，因其具有突变的“创新”优势，是常规技术难以替代 的育种新手段，是现代育种技术的有力拓展，在作物品种
14、遗传改进上占有重要地位。 随着生物技术、分子生物学的兴起和发展，核辐射诱变技术的研究也有了拓宽和发展。 比如国际原子能机构就非常重视利用核技术与现代生物技术的结合进行植株遗传改良，近 年来他们组织的 20 多项国际协作研究项目，大多数是核技术与远缘杂交、离体诱变、 DNA 分子标记辅助育种等生物技术结合，进行以高产、优质、多抗为目标的遗传改良或对 主要和重要的突变基因进行鉴定、分离与克隆研究，利用离体与突变技术进行种间或属间 的基因转移，利用分子生物学技术研究与绘制突变体的基因图、定位突变基因等。总之， 不断创新的分子生物技术为核心技术遗传改良注入了新的活力，推动了核辐射诱变遗传操 作技术向纵
15、深发展。 我国的科学家们已经为植物诱变遗传操作技术的研究提出了目标：2005 年前，利用核 技术（等离子体技术）诱发筛选主要农作物（水稻、小麦、玉米、棉花、大豆等）优质、 多抗（抗病虫、抗逆境等） 、雄性不育等优异新种质、新品种 2030 个，其产量较推广品种 提高 80%10%。扩大应用生产面积 1 亿亩，增产粮食 3040 亿公斤，创社会经济效益 50 亿元。到 2015 年，利用核技术（等离子体技术）创造主要农作物对农业生产产生重大影响 的优质、多抗、超高产突变新种质、新品种 1520 个，适应经济发展需要的主要农作物及无 性繁殖作物（果树、花卉等）突变新种质、新品种 100 个，生产推
16、广面积 2 亿亩，增产粮 食 7080 亿公斤，创社会经济效益 7080 亿元。 7袁隆平 袁隆平，一个世人瞩目的名字。他为之奋斗的杂交水稻事业，被人们誉为“第二次绿色 革命”，给整个人类带来了福音。而今，以他为首的一批农业科学家群体，即将掀起新一轮 的绿色革命，攻克超级杂交稻这一世界难题。 现为中国工程院院士的袁隆平，从 1964 年开始致力于杂交水稻的研究，1973 年成功 实现了三系杂交水稻的“三系配套”。1981 年，国家将第一个特等发明奖授予袁隆平及他的 研究小组，袁隆平也因此获得联合国教科文组织“科学奖”等 8 项国际大奖，并被国际同行 誉为“杂交水稻之父” 。 面对接踵而至的荣誉
17、，袁隆平没有沉醉，依然探索不止。1987 年，袁隆平发表了具有 里程碑意义的重要论文杂交水稻育种的战略设想 ，提出三系法品种间杂种优势利用，两 系法亚种间杂种优势利用和一系法远缘杂种优势利用这样三个战略发展阶段。同年，国家 “863”计划将两系法杂交水稻研究立为专题，袁隆平牵头组成了两系法杂交水稻研究协作组， 开展了全国性的协作攻关。研究过程中几经波折，甚至出现重大挫折，袁隆平以中国科学 家过人的胆识和丰富的经验，几度调整研究方案，使得两系法杂交水稻研究得以顺利进行。 1995 年袁隆平郑重宣布：两系法杂交水稻研究基本成功。在两系杂交水稻育种理论的启发 下，两系法杂交高粱、两系法杂交油菜、两系
18、法杂交棉花、两系法杂交小麦相继研究成功。 我国农作物育种出现了史无前例的辉煌。 “21 世纪谁来养活中国人？”这是美国经济学家布朗博士提出的尖锐命题。袁隆平相 信中国人一定能依靠自己解决吃饭问题，他决定向更高峰发起冲击，选育超级杂交稻！计 划用 35 年时间育成每公顷日产中晚稻 100 公斤或早稻 90 公斤、米质达部颁二级、抗两 种以上主要病虫害的超级杂交稻。这一项目得到国务院总理朱镕基的高度重视，1998 年， 总理特批 1000 万元予以资助。 跨入新世纪，进入知识经济时代之际，袁隆平称自己为农业科技战线上的一名老兵， 他有两个最大的心愿：一是把超级杂交稻研究成功；二是让杂交水稻进一步走
19、向世界。在 袁隆平制定的选育超级杂交水稻技术路线与超高产稻株形态模式的指导下，科技人员克服 “重库轻源”的倾向，将形态改良与杂种优势利用有机地结合起来，已培育出一批超级稻苗 头组合。如两系亚种间杂交组合培矮 64SE32，1997 年在江苏三个地方试种 0.24 公顷， 平均产量为 13.26 吨公顷，生育期 130 天，日产量达到 102 公斤公顷。在小面积上达 到了超级杂交稻的选育目标。1998 年又在江苏、湖南几个点试种 2.5 公顷，部分点的平均 产量仍然超过了 12 吨公顷。为了将杂交水稻推向世界，袁隆平担当了联合国粮农组织首 席顾问，多次赴印度、越南、缅甸、孟加拉等国指导杂交水稻育
20、种和繁殖制种技术。同时， 还为这些国家培训杂交水稻技术骨干。袁隆平亲自倡导并积极创办了“湖南农平杂交水稻 种子公司”和“杂交水稻培训中心” ，面向全国、全世界推介杂交水稻，培训技术人员，至 今已先后成功举办了 3 次国际学术讨论会和 12 期国际杂交水稻培训班，培训了来自 20 个 国家的 200 余名科技人员。在中国的帮助下，越南和印度的杂交水稻发展很快，已应用于 生产。 有关评估机构评估：“袁隆平”名字品牌价值 1008.9 亿元。袁隆平虽然淡泊名利，不 想用自己的名字去赚钱，但以“袁隆平”名字作品牌创办股份公司就可以融集社会资金， 加速科技成果的转化。在同事们的支持下，他创立袁隆平高科技
21、股份有限公司。股份公司 的创立在全国农业科研单位走向市场上实现了零的突破。股份公司拥有袁隆平、周坤炉、 张继仁等一大批世界及国内知名的科技家和丰富的技术成果储备，具有知识、技术、产业 三大优势，将把具有世界性先进水平的高科技成果推向市场，使更多的农民受益，使科研 向高精尖方向发展发挥重大作用，为解决人类仍然面临的粮食问题作出贡献。 袁隆平在书房内挂有自己写的一首七绝：“山外青山楼外楼，自然探秘永无休。成功 易使人陶醉，莫把百尺当尽头。 ”诗词表明了他探秘杂交水稻永无休止的决心。现已年届七 旬的袁隆平每天仍然要骑着自己的白色小摩托到杂交稻试验田观察研究，他已经将杂交水 稻研究视为自己生活中不可缺
22、少的一部分，依然执着地为杂交水稻事业的发展奋斗不息， 耕耘不止。 8人工培育异源多倍体 异源多倍体是指不同的种杂交产生的杂种后代，经过染色体加倍形成的多倍体。多倍 体植物中大多数是异源多倍体，常见的异源多倍体有小麦、燕麦、棉、烟草、苹果、梨、 樱桃、菊、水仙、郁金香等。异源多倍体可以通过人工的方法进行培育。例如，萝卜和甘 蓝是十字花科中不同属的植物，它们的染色体都是 18 条（2n=18） ，但是二者的染色体间 没有对应关系。将它们杂交，得到杂种 F1。F 1 在产生配子时，由于萝卜和甘蓝的染色体之 间不能配对，不能产生可育的配子，因而 F1 是高度不育的。但是如果由 F1 的染色体数目 没有减半的配子受精，或者用秋水仙素处理，人工诱导 F1 的染色体加倍，就可以得到异源 四倍体。在异源四倍体中，由于两个种的染色体各具有两套，因而又叫做双二倍体。这种 双二倍体既不是萝卜，也不是甘蓝，它是一个新种，叫做萝卜甘蓝。很可惜，萝卜甘蓝的 根像甘蓝，叶像萝卜，没有经济价值。但是，这却提供了种间或属间杂交在短期内（只需 两代）创造新种的方法。通过这种方法，人们已经培育出越来越多的异源多倍体新种。
