第3讲　素养提升课——破译新情境•系统实验知能

第3讲 素养提升课——破译新情境•系统实验知能 目录 一、 二、 破译新情境——抽象、理性的学科情境要读懂 系统实验知能——实验思路、步骤、 结果及结论的规范表达 一、破译新情境——抽象、理性的学科情境要读懂 新情境问题　雄性不育与杂交水稻的培育 [科普科研材料] 材料一　雄性不育与“两系法”杂交水稻 植物的雄性不育(花粉败育，但雌性器官仍然发育正常)一般分为核不育和质核互作不育两大类。 类型一：核不育 核不育是由细胞核内基因决定的雄性不育类型。根据核不育的原因又可分为基因控制的核不育和环境诱导的核不育两种。 环境诱导的核不育是指花粉是否可育由细胞核基因在特定环境下的表达产物控制。同一植株，在一定条件下花粉可育，在另一特定条件下花粉不育。 “两系法”杂交水稻是最为典型的实例，其育种过程如图1所示。 类型二：质核互作的雄性不育 这种类型的雄性不育受到细胞质不育基因和对应的细胞核基因的共同控制，当细胞质不育基因SA存在时，核内必须有相对应的隐性不育基因aa，即个体基因型为SA(aa)时才表现为雄性不育。根据控制雄性不育质核基因的对数可以分为主基因不育和多基因不育两种。 主基因不育是指一对或两对核基因与对应的不育细胞质基因决定的不育性，在这种情况下，显性的核基因能使对应细胞质的不育基因恢复正常。假定某水稻品种为主基因不育型，其花粉是否可育受细胞质基因S、N和细胞核基因A、B共同控制，植株中出现SA(aa)或SB(bb)均表现为雄性不育，其余的都可育。如图2杂交实验。 材料二　雄性不育与“三系法”杂交水稻 “三系法”杂交水稻是我国研究应用最早的杂交水稻，由不育系、保持系、恢复系三种水稻培育而成，如图3所示。 不育系A的花粉不育，这种雄性不育性状由细胞质基因cms控制，细胞核含有雄性不育基因rf(只有当细胞质和细胞核都只有不育基因时，才表现为雄性不育)。保持系B能保持不育系的细胞质雄性不育性，其细胞质基因Cms正常可育，能够自交结实。恢复系R含有恢复雄性可育的核基因Rf，与不育系杂交产生的三系杂交稻正常可育且具有杂种优势，即A×R→F1，因为F1的子代的育性、农艺性状等会发生分离，所以F1种植后不再使用，需每年利用不育系育种。 [内蕴知识解读] 1．根据材料一回答下列问题： (1)类型一中的基因控制的核不育，即花粉是否可育由细胞核基因的显隐性控制，与细胞质基因没有关系。假定某植物开单性花，其雄性不育由基因R控制，取一杂合雄性不育植株与另一可育植株杂交得到F1，将F1进行自由交配，预测F2雄性不育植株与雄性可育植株的比例为__________。 (2)根据图1回答下列有关问题 ①假定有温敏雄性不育植株M、N，且M的雄性不育起始温度低于N的，在制备杂交种子时，考虑到温度的日间波动，最好选用植株________(填字母编号)来制种。 ②图1中，杂合子F1表现出优于双亲的生长状况，也叫杂种优势，但我们一般不继续将F1自交留种，原因是________________________ ____________________________________________________________。 (3)根据图2回答下列有关问题： ①预测F2中雄性可育与雄性不育的比例为______。若将亲本恢复系的基因型换成SASB(AABB)，F2的表型________(填“会”或“不会”)发生改变，原因是_______________________________________。 答案：(1)1∶3　(2)①M　②F1留种自交的后代会出现性状分离，且杂种优势效应会减弱　(3)①9∶7　不会　F1的细胞质基因几乎均来自亲代雄性不育株，与恢复系的父本无关　②可育　雄性不育 2．根据材料二回答下列问题： (1)在培育杂交水稻时，选育雄性不育植株的目的是________________ __________________________________________。 (2)繁殖不育系时，不育系A只能作________(填“父本”或“母本”)。 (3)由材料图可知，若三系杂交稻中不育系的基因型表示为cms(rfrf)，则保持系的基因型为______，恢复系的基因型为______________________。 (4)在三系法杂交育种中，选育恢复系非常关键。研究人员发现几株性状优良、纯度高但不含Rf基因的水稻植株(D)，现利用基因工程技术将两个Rf基因导入不同的植株D中来培育恢复系，为确定Rf基因导入的结果，研究人员的思路是将植株D作为亲本与不育系混合种植，单株收获不育系植株所结种子后，再种植并统计后代的育性情况及其数量比例，请依据上述思路完善结果分析： ①若后代雄性不育植株∶雄性可育植株＝____，则说明两个Rf导入到保持系D的一条染色体上。 ②若后代雄性不育植株∶雄性可育植株＝____，则说明两个Rf导入到保持系D的一对同源染色体上。 ③若后代雄性不育植株∶雄性可育植株＝____，则说明两个Rf导入到保持系D的非同源染色体上。 答案：(1)省去人工去雄(降低人工成本)，提高种子质量　(2)母本　(3)Cms(rfrf)　Cms(RfRf)或cms(RfRf)　(4)①1∶1　②0∶1　③1∶3 [迁移创新训练] 1．(2024·恩施期末)杂交育种是提高水稻产量的重要途径，但由于水稻为两性花、花小，因此找到合适的雄性不育系是杂交育种的关键。中国科学家首创了以光/温敏雄性不育系和可育系为核心的两系杂交水稻，下图表示利用光/温敏雄性不育系水稻留种及获得F1杂交种的过程。请回答下列问题： (1)杂交育种所涉及的原理是________。利用雄性不育系进行杂交育种的好处是_______________________________________________。 (2)在高温或长日照下，光/温敏雄性不育系仍有5%～10%的自交结实率，导致制备的杂交种中混有纯合子。为解决该问题，杂交制种时，选用光/温敏雄性不育系纯合紫叶稻与雄性可育系纯合绿叶稻杂交，并在子代的秧苗期内剔除紫叶秧苗即可，分析可知紫叶对绿叶为________(填“显性”或“隐性”)性状。 (3)若水稻的大穗杂种优势性状由两对等位基因(A1A2B1B2)控制，两对基因都纯合时表现为衰退的小穗性状(A1、A2与B1、B2位于一对同源染色体上，且不考虑染色体互换)。现将某雄性不育小穗稻与雄性可育小穗稻杂交，F1全表现为大穗，F1自交，F2中杂种优势衰退率为________，故杂交水稻需年年制种。 (4)水稻温敏雄性不育系(T)在高温下雄性不育，低温下可育。野生型(P)在高温、低温下均可育。与P相比，研究者在T中发现Os基因发生了隐性突变。为验证Os基因突变是导致T温敏雄性不育的原因，现进行转基因实验，选择的基因和导入植株分别是________(选填下列字母)，预期出现的实验结果是________(选填下列字母)。 a．P水稻来源的Os基因　b．T水稻来源的Os基因　c．P水稻　d．T水稻　e．转基因植株育性不受温度影响　f．转基因植株高温下雄性不育 解析：(1)略。(2)子代紫叶秧苗是由光/温敏雄性不育系纯合紫叶稻自交而来，若紫叶对绿叶为显性性状，则子代均为紫叶，与题意不符；故可推测紫叶对绿叶为隐性性状，子代会出现少量紫叶秧苗，在秧苗期剔除紫叶秧苗即可。 (3)由F1全为大穗可知，F1的基因型为A1A2B1B2，又由于A1、A2与B1、B2位于一对同源染色体上，且不考虑染色体互换，F1只能产生两种配子，其配子可能是A1B1∶A2B2＝1∶1(或A1B2∶A2B1＝1∶1)，其自交后代可能是1/4A1A1B1B1、1/2A1A2B1B2、1/4A2A2B2B2(或1/4A1A1B2B2、1/2A1A2B1B2、1/4A2A2B1B1)，即杂种优势衰退率为50%。 (4)P水稻来源的Os基因为显性的正常Os基因，导入T水稻后，会使转基因后的T水稻表现出野生型水稻的性状，即其育性不受温度影响；T水稻来源的Os基因为隐性的突变后的基因，转入P水稻后，不会改变P水稻的性状。综上，应选择将P水稻来源的Os基因转入T水稻，所得到的转基因植株育性应不受温度影响。 答案：(1)基因重组　不需要去雄，提高种子质量　(2)隐性　(3)50%　(4)ad　e 2．(2024·聊城一模)水稻是二倍体雌雄同株植物。三系杂交涉及细胞核中的可育基因(R)、不育基因(r)，细胞质中的可育基因(N)、不育基因(S)，只有基因型为S(rr)的植株表现为花粉不育，其余基因型的植株的花粉均可育。回答下列问题。 (1)水稻细胞中与育性相关的基因型有________种。基因型为S(rr)的雄性不育系水稻与基因型为N(RR)的水稻杂交产生F1，F1自交后代花粉可育与花粉不育的比例是________。科研人员发现S(rr)这种雄性不育性状个体在特定的环境条件下又是雄性可育的，由此说明____________________________________________________________ ____________________________________________________________。 (2)采用雄性不育系进行杂交育种可省却对母本去雄的复杂工序。由于雄性不育系不能通过自交来延续，现欲从与育性有关的三个品系水稻N(RR)、S(RR)、N(rr)中选取一个品系，通过和S(rr)杂交制备雄性不育系，则应该选择的父本和母本分别是______________________。科研人员将连锁的三个基因M、P和H(P是与花粉育性有关的基因，H为红色荧光蛋白基因)与Ti质粒连接，转入雄性不育水稻植株细胞中，获得转基因植株，自交后代中红色荧光植株占一半，据此推测M、P基因在育种过程中的功能为____________________________________ ____________________________________________________________。 (3)有研究表明：水稻叶片披垂度随叶片卷曲程度的增加而减少，叶片一定程度的卷曲可以增加水稻产量。已知水稻正常叶(A)对卷曲叶(a)为不完全显性，显性纯合子表现为正常叶，隐性纯合子表现为卷曲叶，杂合子表现为半卷曲叶。某半卷曲叶水稻种子(Aa)经射线照射后出现半卷曲叶(Aaa)突变体的三种可能情况如图2所示。为探究该突变体类型，试写出简单的实验方案并预期实验结果及结论(假设实验过程中不存在突变，各基因型配子及合子活力相同)。 解析：(1)三系杂交涉及细胞核中的可育基因(R)、不育基因(r)，细胞质中的可育基因(N)、不育基因(S)，则水稻细胞中与育性相关的基因型有3×2＝6种，即N(RR)、N(Rr)、N(rr)、S(RR)、S(Rr)、S(rr)。基因型为S(rr)的雄性不育系水稻与基因型为N(RR)的水稻杂交产生F1，基因型为S(rr)的植株表现为花粉不育，只能作母本，所以细胞质基因来自基因型为S(rr)的植株，则F1的基因型为S(Rr)，F1自交，F2的基因型及比例为S(RR)∶S(Rr)∶S(rr)＝1∶2∶1，所以F1自交后代花粉可育与花粉不育的比例是3∶1。雄性不育性状个体在特定的环境条件下又是雄性可育的，由此说明表型是由基因和环境共同作用的结果。 (2)若要通过杂交获得雄性不育系，应该选择父本提供r基因且自身雄性可育，母本提供S和r基因，所以父本可选N(rr)，母本选择S(rr)。科研人员将连锁的三个基因M、P和H(P是与花粉育性有关的基因，H为红色荧光蛋白基因)与Ti质粒连接，转入雄性不育水稻植株细胞中，获得转基因植株，自交后代中红色荧光植株占一半，说明转基因植株是雄性可育，且后代含有H基因的个体占一半，据此推测，转来的基因使S(rr)品系恢复育性，含有M、P、H基因的花粉不育。所以推测，M、P基因在育种过程中的功能分别为M基因可使S(rr)品系恢复育性，P基因使花粉不育。 (3)Aaa多了一个a基因，由于显性纯合子表现为正常叶，隐性纯合子表现为卷曲叶，杂合子表现为半卷曲叶，因此用Aaa自交，观察统计子代的表型及比例，可探究突变体的类型。突变体①产生的配子为Aa∶A∶aa∶a＝1∶1∶1∶1，自交后代为正常叶∶半卷曲叶∶卷曲叶＝1∶11∶4；突变体②产生的配子为A∶aa∶Aa∶a＝1∶1∶2∶2，自交后代为正常叶∶半卷曲叶∶卷曲叶＝1∶26∶9；突变体③产生的配子为A∶aa＝1∶1，自交后代为正常叶∶半卷曲叶∶卷曲叶＝1∶2∶1。 答案：(1)6　3∶1　表型是由基因和环境共同作用的结果　(2)父本选择N(rr)，母本选择S(rr)　M基因可使S(rr)品系恢复育性，P基因使花粉不育　(3)实验方案：用Aaa自交，观察统计子代的表型及比例。　实验结论：若自交后代为正常叶∶半卷曲叶∶卷曲叶＝1∶11∶4，则为突变体①；若自交后代为正常叶∶半卷曲叶∶卷曲叶＝1∶26∶9，则为突变体②；若自交后代为正常叶∶半卷曲叶∶卷曲叶＝1∶2∶1，则为突变体③。 二、系统实验知能——实验思路、步骤、 结果及结论的规范表达 1．准确表述实验思路和实验步骤 (1)实验思路与实验步骤书写技巧的比较 类型 实验思路 实验步骤 主要特点 思路是“想法”，是较为粗线条的思考过程，其要求 “言简意赅” 步骤是“做法”，是更为 “细节化”的操作流程， 其要求“精确细致” 书写技巧 必须体现“对照思想”，显示“自变量”和“因变量”，对“无关变量”表述时应注意体现“相同且适宜” 必须体现 “自变量”如何 设置，“因变量”如何获得，“无关变量”如何保证 “相同且适宜” 续表 (2)书写实验思路和实验步骤的注意点 ①要求写出实验思路和实验步骤的试题，要注意“无关变量”的描述。因为无关变量是决定实验成败的关键因素，写实验步骤时，必须要对无关变量的操作作出说明。 ②在实验中，除了自变量，实验过程中存在的一些对实验结果造成影响的可变因素都是无关变量，若知道无关变量的具体内容(如某种酶发挥作用的最适温度为37 ℃)，则需明确写出；若不知道无关变量的具体数值(如保温时间)，则可用“适宜且相等”“理想条件下”等文字表述。 2．准确表述实验结果与实验结论 (1)实验结果是具体的数据或现象，实验结论是根据实验结果总结出的规律。 (2)实验结果的文字表述一定要具体、准确。 (3)对实验结论进行描述的文字要反映一般规律。构思答案时，如果有学过的结论性语句，则最好直接“拿来”，如“酶的催化作用具有专一性”“兴奋在神经纤维上以电信号的形式传导”“细胞膜具有一定的流动性”等；如果没有学过的结论性语句，就要尝试“照猫画虎”，组织语言要严谨、简洁。 [专题提能训练] 1．(2024·东营模拟)大麦是高度自交植物，杂交去雄工作相当困难。为此育种工作者采用染色体诱变的方法培育获得如图所示的6号染色体三体品系，该品系的一对染色体上有紧密连锁的两个基因，一个是雄性不育基因(ms)，使植株不能产生花粉，另一个是长粒种子基因(r)。这两个基因的显性等位基因Ms能形成正常花粉，R控制椭圆粒种子，带有这两个显性基因的染色体片段易位连接到另一染色体片段上，形成一个额外染色体，成为三体，该品系的自交后代分离出两种植株，如下图所示。请回答下列问题： (1)已知大麦的体细胞染色体是7对，育成的新品系三体大麦体细胞染色体为________条。 (2)三体大麦减数分裂时，若其他染色体都能正常配对，唯有这条额外的染色体，在后期随机分向一极，其中花粉中有额外染色体的配子无传粉能力。该三体大麦自花传粉，子代椭圆粒种子和长粒种子的理论比值为________，其中________种子为雄性不育。但在生产实践中发现，大多数种子为长粒种子，请推测可能的原因。_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(答两点)。 (3)在大麦群体中由于隐性突变出现一株高产植株，请设计实验探究该突变基因是否位于6号染色体上，写出实验方案、预期结果及结论。(提示：请用题干中提供的方便用于杂交育种的植株进行实验，不考虑互换) 实验方案：__________________________________________________ ____________________________________________________________。 预期结果及结论：____________________________________________ ____________________________________________________________。 解析：(1)大麦的体细胞染色体是7对，正常大麦的体细胞为14条染色体，现三体比正常细胞多一条染色体，因此为15条。 (2)该三体大麦产生含额外染色体的异常配子与正常配子的比例为1∶1，花粉(雄配子)中有额外染色体的配子无传粉能力，因此雄配子参与受精的均为正常配子(长粒r基因)，雌配子有异常配子(含椭圆粒R基因)与正常配子(长粒r基因)的比例为1∶1，因此后代椭圆粒种子(MsmsmsRrr)和长粒种子(msmsrr)的理论比值为1∶1；由于R所在的染色体为额外染色体，其上有Ms基因，而长粒所在的染色体上为ms 雄性不育基因，因此长粒种子为雄性不育；可能雌配子MsmsRr受精能力较低(活性较低)或受精后三体生长发育受影响，因此后代大多数种子为长粒种子(msmsrr)。 (3)设控制高产的基因为b，则突变体高产的基因型为bb，则题(2)中雄性不育植株为msmsBB，其与高产植株(MsMsbb)杂交得到F1(MsmsBb)，F1自交得到F2，单独种植F2各植株，最后统计F2的产量。若高产突变发生在6号染色体上，则F1(MsmsBb) 产生的雌雄配子均为Msb∶msB＝1∶1，F2的基因型为1MsMsbb∶2MsmsBb∶1msmsBB，由于msms表现雄性不育，故msmsBB单独种植时不能产生后代， F2植株MsMsbb、MsmsBb分别表现为高产、普通产量，比例为1∶2，所以若F2普通产量植株∶高产植株＝2∶1，则高产突变发生在6号染色体上；若高产突变发生在其他染色体上，则后代配子比例不受雄性不育的影响，F1(Bb)产生的雌雄配子均为b∶B＝1∶1，F2的基因型为1bb∶2Bb∶1bb，F2植株表现为高产、普通产量，比例为1∶3，所以若F2普通产量植株∶高产植株＝3∶1，则高产突变发生在其他染色体上。 答案：(1)15　(2)1∶1　长粒　雌配子MsmsRr受精能力较低(活性较低)或受精后三体生长发育受影响　(3)雄性不育植株与该高产植株杂交得到F1，F1自交得到F2，单独种植F2各植株，最后统计F2的产量　若F2普通产量植株∶高产植株＝2∶1，则高产突变发生在6号染色体上；若F2普通产量植株∶高产植株＝3∶1，则高产突变发生在其他染色体上 2．(2024·临沂模拟)果蝇的体色由多对基因控制，野生型果蝇为灰体。现有黄体、黑体和黑檀体三种体色的果蝇单基因突变体(只有一对基因与野生型果蝇不同)。为探究果蝇体色基因的位置及显隐性关系，进行了下列实验。   亲本 F1的表型 实验一 黄体(雌)×野生型(雄) 雌性均为灰体，雄性均为黄体 实验二 黑体(雌)×黑檀体(雄) 均为灰体 实验三 黄体(雌)×黑檀体(雄) 雌性均为灰体，雄性均为黄体 (1)黄体的遗传方式为____________。通过分析三组杂交实验结果可知，相对于灰体，三种突变性状中表现为隐性性状的有______________。野生型果蝇产生这三种体色的单基因突变体体现了基因突变的________(填“不定向性”或“随机性”)。 (2)根据实验三不能确定黑檀体基因的位置，理由是____________________________________________________________。将实验三中的F1果蝇相互交配，F2的雌雄果蝇中灰体∶黄体∶黑檀体为3∶4∶1，说明黑檀体基因位于________上，F2中黄体果蝇的基因型有________种，F2的灰体果蝇中纯合灰体雄果蝇所占的比例为________。 (3)已知基因T、t位于果蝇的常染色体上。当t纯合时对雄果蝇无影响，但会使雌果蝇性反转成不育的雄果蝇。让一只TT纯合灰体雌果蝇与一只tt黄体雄果蝇杂交，所得F1雌雄果蝇随机交配，F2的表型及比例为________________________。从上述亲本和F1中选取材料，设计实验进一步验证t纯合时会使雌果蝇性反转成雄果蝇。请写出实验思路并预期实验结果。______________________________________ ____________________________________________________________。 解析：(1)实验一中F1的表型与性别有关，且灰体对黄体为显性，说明相关基因位于X染色体上，黄体为伴X染色体隐性遗传。实验二中F1果蝇均为灰体果蝇，据此可推测控制两种性状的基因为非等位基因，且均为隐性，故三种突变性状表现为隐性性状的为黄体、黑檀体、黑体。由上述分析及实验三中F1的表型可推知，三种体色为不同的基因发生突变的结果，说明了基因突变具有随机性。 (2)根据实验三不能确定黑檀体基因的位置，因为无论黑檀体基因是否位于常染色体上，得到F1的表型均相同。F2的性状分离比为3∶4∶1，为9∶3∶3∶1的变式，说明控制黑檀体的基因与控制黄体的基因位于两对染色体上，即控制黑檀体的基因位于常染色体上，假设黑檀体与黄体的相关基因分别用A/a和B/b表示，则亲本的基因型为AAXbXb(黄体)、aaXBY(黑檀体)，F1的基因型为AaXBXb、AaXbY，二者相互交配产生F2的基因型为3A_XBXb、3A_XbXb、1aa XbXb、 1aa XBXb、3A_XBY、3A_XbY、1aa XbY、1aa XBY，F2的雌雄果蝇中灰体∶黄体∶黑檀体为3∶4∶1，说明黄体对于黑檀体为显性，由此分析上述F2基因型可知，F2中黄体果蝇的基因型有6种，F2的灰体果蝇中纯合灰体雄果蝇的基因型为AAXBY，其所占的比例为1/3×1/2＝1/6。 (3)已知基因T、t位于果蝇的常染色体上。当t纯合时对雄果蝇无影响，但会使雌果蝇性反转成不育的雄果蝇，让一只TT纯合灰体雌果蝇与一只tt黄体雄果蝇杂交，亲本的基因型可表示为TTXBXB、ttXbY，所得F1雌雄果蝇的基因型为TtXBXb、TtXBY，F1随机交配，F2的基因型和表型为6T_XBX－(灰体雌)、3T_XBY(灰体雄)、3T_XbY(黄体雄)、2ttXBX－(灰体雄)、1ttXbY(黄体雄)、1ttXBY(灰体雄)，可见灰体雌∶灰体雄∶黄体雄＝3∶3∶2。为了验证t纯合时会使雌果蝇性反转成雄果蝇，可让F1中灰体雌果蝇(TtXBXb)与亲本黄体雄果蝇(ttXbY)交配，获得足够多的后代，观察统计子代的性别比例。 则后代的基因型和表型为1TtXBXb(雌)、1TtXbXb(雌)、1TtXBY(雄)、1TtXbY(雄)、1ttXBXb(雄)、1ttXbXb(雄)、1ttXBY(雄)、1ttXbY(雄)，可见，子代雌雄果蝇个体数量比为1∶3，则可证明上述结论。 答案：(1)伴X染色体隐性遗传　黄体、黑檀体、黑体　随机性　(2)无论黑檀体基因是否位于常染色体上，得到F1的表型均相同　常染色体　6　1/6　(3)灰体雌∶灰体雄∶黄体雄＝3∶3∶2　让F1中灰体雌果蝇与亲本黄体雄果蝇交配，观察统计子代的性别比例。子代雌雄果蝇个体数量比为1∶3 ②预测正交SANB(AAbb)♀×NASB(AAbb)♂和反交NASB(AAbb)♀×SANB(AAbb)♂子代的育性：正交________，反交________。 $$