备课素材：生物育种问题释疑-2022-2023学年高一下学期生物人教版必修2

生物育种问题释疑 人教2019版高中生物学必修二删去了旧教材中“从杂交育种到基因工程”一章，有关生物育种的内容分散在必修二的第一章和第五章。 教材对育种的原理介绍得很少，很多同学对此有疑惑。 1．花药离体培养得到的都是单倍体吗？ 植株花药离体培养是单倍体育种中最关键的一步。同学们知道，通过花药离体培养的方法获得单倍体植株，然后人工诱导使这些植株加倍，用这种方法培育得到的植株，不但能进行正常生殖，而且每对染色体的成对基因都是纯合的，自交后代不会发生性状分离。 为什么是花药离体培养？花粉离体培养是否可行？这得追溯到花药和花粉这两者的区别。植物体的雄蕊是由花药和花丝组成，花药是植物生殖器官的主要部分，而花粉是生殖细胞。从结构上来看，花 药由多个花粉囊组成，中间以药隔相连，花粉囊中产 生花粉（图1)。 从发育过程来看，花药壁、药隔和花粉都来源于 孢原细胞。孢原细胞经有丝分裂和分化形成外层的 初生壁细胞和内层的造孢细胞，初生壁细胞与表皮层 贴近，经过有丝分裂和分化形成花药壁等部分。而初生造孢细胞则进一步形成小孢子母细胞，又称花粉母细胞。1个小孢子母细胞经过减数分裂，生成染色体数目减半的4个花粉细胞，即小孢子，4个小孢子先是集合在一起，称为四分体。之后，4个小孢子从四分体中分离出来，释放到花粉囊中，即为单核花粉粒。其细胞质浓，细胞核大，且核位于中央，随着不断发育， 细胞质发生液泡化，逐渐形成中央大液泡，细胞核被挤到细胞一侧，此时称为单核靠边期，为组织培养中诱导单倍体植株较为适宜的接种时期。 花药壁、药隔为体细胞，只有花粉才是单倍体细胞。严格意义上来说，花粉离体培养才是获得单倍体植株的方法。但实际上花粉离体培养属于细胞培养，难度较大，目前只在少数植物上获得成功。 因此，农业育种上往往采用花药离体培养，不过花药离体培养受花药壁、药隔、表皮等二倍体细胞的干扰，得到得植株中有一定比例的二倍体，实际育种流程中还需要进行筛选才能获得单倍体植株。 2．着丝粒分裂与纺锤体是否有关？ 在“染色体变异”这一节中还涉及到了多倍体育种的方式。人工诱导多倍体的方法有很多，其中用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，是最常用且最有效的方法。使用秋水仙素能抑制纺锤体的形成，导致染色体不能移向细胞两极，从而引起细胞 内的染色体数目加倍。 有的同学认为，“虽然纺锤体不能形成，但着丝粒仍然能够正常分裂”，因此将其理解成着丝粒分裂与纺锤体的形成无关，这样的理解其实是片面的。 在姐妹染色单体分离前，彼此间通过黏连蛋白复 合体相互黏着在一起，当细胞中的分离酶活化后可以切割黏连蛋白，致使姐妹染色单体分离（图2）。 研究发现，当纺锤体微管与动粒，即着丝粒外侧的盘状蛋白质联结前，动粒会发出抑制信号，抑制细胞周期向下一个阶段运转，进而影响着丝粒的分裂。当纺锤体微管重新形成并与动粒联结后，这种抑制信号被解除，分离酶被活化，连接在姐妹染色单体间的黏连蛋白被水解，姐妹染色单体分离（图3）。 因此，可以说纺锤体微管蛋白的形成是决定着丝粒分裂的一个关键信号。 那么为何秋水仙素抑制纺锤体形成后，着丝粒还能分离呢？查阅资料，推测由于在该实验过程中使用的秋水仙素浓度较低，在培养过程中，细胞内秋水仙素逐渐会被细胞自身代谢掉或人为洗脱去除，纺锤体中与动粒结合的微管蛋白能够重新合成，动粒发出的抑制信号被解除，着丝粒分裂。但由于在培养的这段时间内，没有形成完整的纺锤体，因而不能将染色体拉向细胞两极，最终导致细胞中染色体数目加倍。 3．三倍体无子西瓜有没有种子？ 三倍体西瓜的育种方式，在二倍体西瓜的幼苗期，用秋水仙素处理，可以得到四倍体植株，然后用四倍体植株做母本，二倍体植株作父本，进行杂交，从而得到三倍体种子。把这些种子种下去，就会长出三倍体植株，再用普通西瓜二倍体的成熟花粉刺激三倍体植株的子房，从而使其发育成三倍体无子西瓜： 可简化成（图4)。 进一步分析可知，三倍体 植株因为细胞中含有三个染色体组，减数过程中同源 染色体联会紊乱，不能形成正常配子，因此不能正常 受精产生种子。 三倍体西瓜中会存在少量发育不成熟的种子， 这是因为三倍体植株的减数分裂是比较复杂的，在减数分裂I的前期，每种染色体有3条，这样联会配对的情况就有两种。第一种情况为组成三价体，即 3条染色体连在一起；第二种情况为组成二价体和单价体，即两条染色体连在一起和1条染色体单独存在。 在分裂后期，三价体一般是两条染色体进入一极，一条进入另一极。二价体分离正常，而单价体有两种可能，或是随机进入某一极，或是停留在赤道板上，随后在细胞质中消失。无论哪一种方式，最后 得到染色体数目平衡即有功能的配子，即全部染色体都成对存在或全部染色体都是单个的配子的概率是极低的，绝大多数都是染色体数目不平衡的配子， 不能正常的受精、结实。因此三倍体植株是高度不