第5章 第2节 染色体变异（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中生物学必修第二册（人教版2024）

第2节　染色体变异 [课标要求]1.阐述染色体组、单倍体、二倍体和多倍体的概念及特点(生命观念)。2.掌握染色体结构变异的类型和结果(生命观念)。3.比较单倍体育种和多倍体育种的原理、方法、流程和优点(科学思维)。 知识点1　染色体变异的概念 生物体的体细胞或生殖细胞内染色体__数目或结构__的变化。 知识点2　染色体数目的变异 1．概念 由染色体数目__增加__或__减少__而引起的变异。 2．类型 (1)细胞内__个别染色体__的增加或减少，如21三体综合征。 (2)细胞内的染色体数目以__染色体组__的形式成倍增加或减少，如雄蜂。 3．与染色体数目变异有关的概念 (1)染色体组：细胞中的一组__非同源__染色体，它们在__形态__和功能上各不相同，携带着控制生物生长、发育、遗传和变异的全部信息。 (2)二倍体：体细胞中含有__两__个染色体组，包括几乎全部动物和过半数的高等植物。 (3)多倍体 ①概念：体细胞中含__三个__或三个以上染色体组的个体。其中，体细胞中含有三个染色体组的叫作__三倍体__，体细胞中含有四个染色体组的叫作四倍体，例如，__香蕉__是三倍体，马铃薯是四倍体。 ②分布：在__植物__中常见，在动物中极少见。 ③特点：与二倍体植株相比，多倍体植株常常是茎秆__粗壮__，叶片、果实和种子都__比较大__，__糖类和蛋白质__等营养物质的含量都有所增加。 (4)单倍体 ①概念：染色体数和染色体组数是正常体细胞的一半，即体细胞中含有__本物种配子__染色体数目的个体。 ②特点：与正常植株相比，植株长得__弱小__，且__高度不育__。 思考1：单倍体是否只含一个染色体组？只含有一个染色体组的个体是否是单倍体？ 提示　不一定，如由四倍体生物的配子形成的单倍体含有两个染色体组。只含有一个染色体组的个体是单倍体。 知识点3　低温诱导植物细胞染色体数目的变化 1．实验原理 用低温处理植物的__分生组织__细胞，能够抑制__纺锤体__的形成，以致影响细胞有丝分裂中染色体被拉向两极，导致细胞不能分裂成两个子细胞，于是，植物细胞的染色体数目发生变化。 2．方法步骤 (1)根尖的培养及诱导 ①培养方法：将蒜(或洋葱)在冰箱冷藏室内(4 ℃)放置一周。取出后，放在装满清水的广口瓶上，让蒜的底部接触水面。 ②诱导时机：待蒜长出1 cm左右的不定根时。 ③诱导措施：将整个装置放入冰箱冷藏室内，诱导培养48～72 h。 (2)取材及固定 ①取材：剪取诱导处理的根尖约0.5～1 cm。 ②固定：放入卡诺氏液中浸泡0.5～1 h，以固定细胞的形态。 ③冲洗：用体积分数为95%的酒精冲洗2次。 (3)制作装片 ①解离→②漂洗→③染色：使用质量浓度为0.01 g/mL的甲紫溶液→④制片 (4)观察 ①先用低倍镜：找到要观察的细胞。 ②后用高倍镜：观察一个细胞中的染色体数目，比较不同细胞中的染色体数目。 3．得出结论 低温能够诱导植物细胞染色体数目发生改变。 4．注意事项 (1)在显微镜下观察到的细胞已经死亡，不能观察到细胞中染色体数目的变化过程。 (2)选材只能是分生区细胞，不能进行细胞分裂的细胞不会出现染色体数目的变化。 知识点4　染色体结构的变异 1．类型 类型 概念 实例 缺失 染色体某一片段__缺失__引起变异 果蝇缺刻翅、猫叫综合征 重复 染色体中__增加__某一片段引起变异 果蝇棒状眼 易位 染色体的某一片段__移接__到另一条非同源染色体上引起变异 果蝇花斑眼 倒位 染色体中的某一片段位置__颠倒__引起的变异 果蝇卷翅 2.对生物体的影响 (1)排列在染色体上的基因__数目或排列顺序__发生改变，从而导致__性状的改变__。 (2)大多数对生物体__不利__，有的甚至会导致生物体死亡。 思考2：秋水仙素与低温都能诱导染色体数目加倍，这两种方法在原理上有什么相似之处？ 提示　两者都是通过抑制有丝分裂时细胞内纺锤体的形成，使染色体不能移向细胞两极，从而引起细胞内染色体数目加倍。 1．(教材P87 “问题探讨”)为什么平时吃的香蕉是没有种子的？ 提示　平时吃的香蕉是栽培品种，体细胞中含有3套非同源染色体，在进行减数分裂时，染色体联会紊乱，不能产生正常配子。 2．请结合教材P91“拓展应用·2”无子西瓜的培育，回答下列问题： (1)为什么用一定浓度的秋水仙素溶液滴在二倍体西瓜幼苗的芽尖？ (2)四倍体西瓜植株做母本产生的雌配子中含有几个染色体组？获得的四倍体西瓜为何要与二倍体杂交？你能说出产生多倍体的基本途径吗？ (3)四倍体植株上结的西瓜是无子西瓜吗？ (4)有时可以看到三倍体西瓜中有少量发育并不成熟的种子，请推测产生这些种子的原因。 (5)无子西瓜每年都要制种，很麻烦，有没有别的替代方法？ (6)在无子西瓜培育的过程中有两次传粉，请分别说明各自的作用。 提示　(1)芽尖细胞正在进行有丝分裂，当秋水仙素作用于正在分裂的细胞时，能够抑制纺锤体的形成，导致染色体不能移向细胞两极，从而引起细胞内染色体数目加倍。 (2)雌配子中含有两个染色体组。杂交可获得三倍体植株。产生多倍体的基本途径：秋水仙素处理萌发的种子或幼苗。 (3)四倍体植株上结四倍体西瓜，四倍体西瓜内结的种子为三倍体，所以四倍体植株上结的西瓜是有子西瓜。三倍体植株上结的西瓜是无子西瓜。 (4)因为三倍体植株不能进行正常的减数分裂，一般情况下不能形成配子，但也有可能形成正常的配子。 (5)进行无性繁殖。将三倍体西瓜植株进行组织培养获得大量的组织苗，再进行移栽。 (6)第一次传粉：获得三倍体种子；第二次传粉：促进子房发育成果实。 3．(教材P91 “练习与应用”)填表比较豌豆、普通小麦、小黑麦的体细胞和配子中的染色体数目、染色体组数目，并且注明它们分别属于几倍体生物。 生物种类 豌豆 普通小麦 小黑麦 体细胞中的染色体数/条 42 配子中的染色体数/条 7 28 体细胞中的染色体组数 2 配子中的染色体组数 3 属于几倍体生物 八倍体 解析　配子中的染色体数目是体细胞中染色体数目的1/2，配子中的染色体组数目也是体细胞中染色体组数目的1/2，判断生物属于几倍体的依据是看受精卵发育成的个体体细胞中染色体组的数目为多少，有几组就是几倍体。 答案　 生物种类 豌豆 普通小麦 小黑麦 体细胞中的染色体数/条 14 42 56 配子中的染色体数/条 7 21 28 体细胞中的染色体组数 2 6 8 配子中的染色体组数 1 3 4 属于几倍体生物 二倍体 六倍体 八倍体 探究点1　染色体数目的变异 1．染色体组 (1)概念 染色体组是指细胞中形态和功能各不相同，但是携带着控制生物生长、发育、遗传和变异的全部遗传信息的一组非同源染色体。 (2)某生物体细胞中染色体组数目的判断 ①根据染色体形态判断：细胞内形态、大小相同的染色体有几条，则该细胞中就含有几个染色体组。如图1，每种形态的染色体有3条，则该细胞中含有3个染色体组。 ②根据基因型判断：在细胞或生物体的基因型中，控制同一性状的相同基因或等位基因出现几次，该细胞或生物体中就含有几个染色体组。例如，基因型为AAaaBBBB的细胞或生物体含有4个染色体组。 ③根据染色体数目和染色体形态推算含有几个染色体组。 染色体组数＝ 如图2，共有8条染色体，染色体形态数(形态大小不相同)为2，所以染色体组数为8÷2＝4(个)。 2．单倍体、二倍体、多倍体 (1)生物体倍数的判别 由于多倍体的生殖细胞内不止含有一个染色体组，而由这样的生殖细胞直接发育成的个体是单倍体，所以判断生物为几倍体不能只看细胞内含有几个染色体组，还要考虑生物个体发育的起点。 ①如果生物体是由受精卵或合子发育而成的，则该生物的体细胞内含有几个染色体组就叫几倍体。自然界中，几乎全部动物和过半数的高等植物都是二倍体。 ②如果生物体是由生殖细胞(卵细胞或花粉粒)直接发育而成的，无论体细胞内含有几个染色体组，都只能叫单倍体。 (2)单倍体、多倍体的比较 项目 单倍体 多倍体 概念 体细胞中的染色体数目与本物种配子染色体数目相同的个体 体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体 自然成因 单性生殖的结果 外界环境条件剧变或生物体内部因素的干扰 发育过程 植株特点 植株弱小、生长发育快 植株茎秆粗壮、营养物质含量高、生长发育延迟 可育性 高度不育 可育但结实率差 应用 单倍体育种 多倍体育种 【例1】 如图所示是细胞中所含的染色体，下列叙述中不正确的是(　　) A．①代表的生物可能是二倍体，其每个染色体组含4条染色体 B．②代表的生物可能是二倍体，其每个染色体组含3条染色体 C．③代表的生物可能是四倍体，其每个染色体组含2条染色体 D．④代表的生物可能是单倍体，其每个染色体组含4条染色体 答案　B 解析　图①②③④中的染色体组数分别是2、3、4、1，代表的生物均可能为单倍体；如果①②③细胞均由受精卵发育而来，则它们分别代表二倍体、三倍体、四倍体，④不可能由受精卵发育而来，其代表单倍体。每个染色体组中的染色体应该是形态、大小互不相同的，所以①②③④细胞中每个染色体组分别含有4、2、2、4条染色体。 【例2】 下列关于染色体组的说法，正确的是(　　) A．21三体综合征患者体细胞中含有3个染色体组 B．四倍体水稻的单倍体体细胞中含2个染色体组 C．一个染色体组中的染色体大小、形态一般相同 D．体细胞中含有3个染色体组的个体即为三倍体 答案　B 解析　21三体综合征患者体内21号染色体多了一条，体细胞中仍含有2个染色体组，A项错误；四倍体水稻的单倍体体细胞中含2个染色体组，B项正确；一个染色体组中染色体的大小、形态通常不同，C项错误；体细胞中含有3个染色体组的个体，若由受精卵发育而来，则为三倍体，若由配子发育而来，则为单倍体，D项错误。 探究点2　染色体变异在育种中的应用 1．单倍体育种和多倍体育种的过程 (1)单倍体育种 (2)多倍体育种 正在萌发的种子或幼苗抑制纺锤体形成染色体不分离细胞中染色体数目加倍多倍体植物 2．三倍体无子西瓜的培育过程 关于单倍体育种和多倍体育种 (1)单倍体育种一般应用于二倍体植物，因为四倍体植物通过单倍体育种形成的个体不一定是纯合子。 (2)用秋水仙素处理植株使染色体数目加倍，若操作对象是单倍体植株，叫单倍体育种；若操作对象为正常植株，叫多倍体育种。 (3)花药离体培养是植物组织培养的一种形式，但因所用的花粉粒是经减数分裂产生的，因此花药离体培养得到单倍体植株属于有性生殖。 【例3】 如图是优质西瓜培育的两种方式，请回答下列问题： (1)正常西瓜是二倍体，培育三倍体无子西瓜依据的遗传学原理是____________。过程A需要用秋水仙素处理使染色体加倍，秋水仙素的作用是__________________________。图中还要用秋水仙素处理的过程是________(填图中字母)。 (2)过程J采用____________方法获得单倍体植株，与杂交育种相比，这种方法获得纯合二倍体植株的优点是__________________________________________ ______________________________。 (3)图中发生基因重组的过程有__________(填图中字母)。 解析　(1)培育无子西瓜的育种过程是通过改变染色体组数来改变生物的性状的，所以育种方法是多倍体育种，依据的遗传学原理是染色体变异。过程A需要用秋水仙素处理使染色体数目加倍，其作用是抑制细胞有丝分裂前期纺锤体的形成。图中还要用秋水仙素处理的过程是K，目的是使单倍体植株染色体数目加倍，成为正常的二倍体。(2)获得单倍体植株常用花药离体培养的方法，该育种方法是单倍体育种。与杂交育种相比，获得纯合二倍体植株的优点是明显缩短育种年限。(3)基因重组发生在减数分裂形成配子时，图示A～K各时期中发生基因重组的时期为B、C、D、J。 答案　(1)染色体变异　抑制纺锤体形成　K　(2)花药离体培养　明显缩短育种年限　(3)B、C、D、J 【例4】 无子西瓜是由二倍体(2n＝22)与同源四倍体杂交后形成的三倍体。回答下列问题： (1)杂交时选用四倍体植株作母本，用二倍体植株作父本，取其花粉涂在四倍体植株的________上，授粉后套袋。四倍体植株上产生的雌配子含有________条染色体，该雌配子与二倍体植株上产生的雄配子结合，形成含有________条染色体的合子。 (2)上述杂交获得的种子可发育为三倍体植株。该植株会产生无子果实，该果实无子的原因是三倍体的细胞不能进行正常的______分裂。 (3)为了在短期内大量繁殖三倍体植株，理论上可以采用__________的方法。 解析　(1)在三倍体无子西瓜培育过程中，以四倍体植株为母本，授以二倍体植株花粉，可获得三倍体西瓜种子(胚)。四倍体植株产生的雌配子含有22条染色体，二倍体植株产生的雄配子含有11条染色体，则合子中含有33条染色体，三个染色体组。(2)三倍体植株体细胞中含有三个染色体组，减数分裂时会发生联会紊乱而无法形成正常的配子。(3)利用植物组织培养技术可以快速、大量繁殖植株。 答案　(1)雌蕊(或柱头)　22　33　(2)减数　(3)组织培养(其他答案合理亦可) 探究点3　染色体结构的变异 1．染色体结构变异的类型 类型 定义 示意图 缺失 染色体中某一片段缺失引起变异 重复 染色体中增加某一片段引起变异 倒位 染色体中某一片段位置颠倒引起变异 易位 一条染色体的某一片段移接到另一条非同源染色体上引起变异 2.四种染色体结构变异的结果 (1)缺失——导致染色体上的基因减少。 (2)重复——导致同一条染色体上出现相同基因。 (3)易位——发生在非同源染色体之间，会导致每条染色体上基因种类改变。 (4)倒位——基因数目没有变化，基因排列顺序发生改变。 3．染色体结构变异对生物的影响 大多数染色体结构变异对生物体是不利的，有的甚至会导致生物体死亡。 【例5】 (2024·6月浙江)野生型果蝇的复眼为椭圆形，当果蝇X染色体上的16A片段发生重复时，形成棒状的复眼(棒眼)，如图所示。 　 棒眼果蝇X染色体的这种变化属于(　　) A．基因突变 B．基因重组 C．染色体结构变异 D．染色体数目变异 答案　C 解析　染色体结构的变异主要有缺失、重复、倒位、易位四种类型，果蝇X染色体上的16A片段发生重复时，复眼会由正常的椭圆形变成“棒眼”，说明该变异属于染色体结构变异中的重复，C项正确。 基因突变、基因重组和染色体变异的关系 (1)基因突变是基因内部分子结构的改变，基因的数目和位置不发生改变，在光学显微镜下观察不到；而染色体的结构变异在光学显微镜下可直接观察到。 (2)染色体结构改变会使排列在染色体上的基因数目和排列顺序发生改变，导致性状变异，大多数染色体结构变异对生物是不利的，甚至会导致生物体死亡。 (3)易位是染色体的某一片段移接到另一条非同源染色体上，而染色体互换发生于同源染色体的非姐妹染色单体之间，前者属于染色体变异，后者属于基因重组。 【例6】 (2022·湖南)大鼠控制黑眼/红眼的基因和控制黑毛/白化的基因位于同一条染色体上。某个体测交后代表型及比例为黑眼黑毛∶黑眼白化∶红眼黑毛∶红眼白化＝1∶1∶1∶1。该个体最可能发生了下列哪种染色体结构变异(　　) 答案　C 解析　分析题意可知，大鼠控制黑眼/红眼的基因和控制黑毛/白化的基因位于同一条染色体上，两对等位基因为连锁关系，正常情况下，测交结果只能出现两种表型，但题干中某个体测交后代表型及比例为黑眼黑毛∶黑眼白化∶红眼黑毛∶红眼白化＝1∶1∶1∶1，类似于非同源紫色体上两队基因自由组合的结果，推测该个体可产生四种数目相等的配子，且控制两对性状的基因遵循自由组合定律，即两对等位基因被易位到两条非同源染色体上，C项正确。 核心知识小结 [网络构建] [答题必备] 1.染色体组是指细胞中一套完整的非同源染色体。 2．体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体叫作单倍体；体细胞中含有两个染色体组的个体叫作二倍体；体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体叫作多倍体。 3．与正常植株相比，单倍体植株长得弱小，而且高度不育。多倍体植株常常是茎秆粗壮，叶片、果实和种子都比较大，糖类和蛋白质等营养物质的含量都有所增加。 4．单倍体育种包括花药离体培养和秋水仙素处理幼苗等阶段，优点是能明显缩短育种年限。 5．秋水仙素或低温能够抑制纺锤体的形成，从而导致染色体数目加倍。 6．染色体结构变异可改变染色体上的基因数目或排列顺序，该变异可在显微镜下观察到。 7．基因突变、基因重组和染色体变异都是可遗传变异的来源，原因是三者均导致细胞内遗传物质发生变化。 1．下列有关单倍体的叙述，不正确的是(　　) A．未经受精的卵细胞发育成的个体，一定是单倍体 B．细胞内有两个染色体组的生物体，可能是单倍体 C．由生物的雄配子发育成的个体一定都是单倍体 D．基因型为aaaBBBCcc的植物一定是三倍体 答案　D 解析　由配子发育成的个体，不管含多少个染色体组，都称为单倍体，A项正确；细胞内含有两个染色体组的生物，可能是单倍体(四倍体生物的配子发育而成)，B项正确；也可能是二倍体(合子或受精卵发育而成)。基因型为aaaBBBCcc的植物，如果由配子发育而来，则为单倍体，如果由受精卵发育而来，则为三倍体，D项正确。 2．(2022·6月浙江)猫叫综合征的病因是人的5号染色体短臂上的部分片段丢失所致。这种变异属于(　　) A．倒位 B．缺失 C．重复 D．易位 答案　B 解析　由题干描述可知，猫叫综合征的病因是染色体缺失了部分片段导致，属于染色体结构变异中的缺失，B项正确。 3．若图甲中①②为一对同源染色体，③④为另一对同源染色体，图中字母表示基因，“ ∘”表示着丝粒，则图乙～戊中染色体结构变异的类型依次是(　　) A．缺失、重复、倒位、易位 B．缺失、重复、易位、倒位 C．重复、缺失、倒位、易位 D．重复、缺失、易位、倒位 答案　A 解析　分析题图可知，图乙表示染色体②缺失D基因片段；图丙是染色体①上C基因片段重复；图丁表示染色体①上B、C基因片段位置颠倒，属于倒位；图戊中一条染色体的片段移接到另一条非同源染色体上，属于易位。 4．下列有关“低温诱导植物细胞染色体数目的变化”实验的叙述，正确的是(　　) A．可能出现三倍体细胞 B．多倍体细胞形成的比例常达100% C．多倍体细胞形成过程无完整的细胞周期 D．多倍体形成过程增加了非同源染色体重组的机会 答案　C 解析　低温诱导大蒜根尖细胞染色体数目加倍，不应出现三倍体，A项错误；低温诱导不能使所有细胞染色体数目都加倍，B项错误；多倍体细胞形成的原理是抑制纺锤体的形成，阻止细胞的分裂，所以细胞周期是不完整的，C项正确；根尖细胞的分裂为有丝分裂，而非同源染色体重组发生在减数分裂过程中，因此不能增加重组机会，D项错误。 5．(2024·北京)有性杂交可培育出综合性状优于双亲的后代，是植物育种的重要手段。六倍体小麦和四倍体小麦有性杂交获得F1。F1花粉母细胞减数分裂时染色体的显微照片如图。 据图判断，错误的是(　　) A．F1体细胞中有21条染色体 B．F1含有不成对的染色体 C．F1植株的育性低于亲本 D．两个亲本有亲缘关系 答案　A 解析　染色体数目变异细胞内染色体数目以一套完整的非同源染色体为基数成倍地增加或成套地减少属于染色体数目变异。通过显微照片可知，该细胞包括14个四分体，7条单个染色体，由于每个四分体是1对同源染色体，所以14个四分体是28条染色体，再加上7条单个染色体，该细胞共有35条染色体。图为F1花粉母细胞减数分裂时染色体显微照片，由图中含有四分体可知，该细胞正处于减数第一次分裂时期，此时染色体数目应与F1体细胞中染色体数目相同，故F1体细胞中染色体数目是35条，A项错误；由于六倍体小麦减数分裂产生的配子有3个染色体组，四倍体小麦减数分裂产生的配子有2个染色体组，因此受精作用后形成的F1体细胞中有5个染色体组，F1花粉母细胞减数分裂时，会出现来自六倍体小麦的染色体无法正常联会配对形成四分体的情况，从而出现部分染色体以单个染色体的形式存在的情况，B项正确；F1体细胞中存在异源染色体，所以同源染色体联会配对时，可能会出现联会紊乱，无法形成正常配子，故F1的育性低于亲本，C项正确；由题干信息可知，六倍体小麦和四倍体小麦能够进行有性杂交获得F1，说明二者有亲缘关系，D项正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$