内容正文:
第五章 基因突变和其他变异
第2节 染色体变异
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是由遗传物质的改变引起的
不可遗传的变异:
可遗传的变异:
仅仅是由环境引起的,遗传物质没有发生变化
变异的类型
3个来源
基因突变
基因重组
染色体变异
温故知新
变异主要分为两类:可遗传的变异和不可遗传的变异。可遗传的变异是由遗传物质的变化引起的变异;不可遗传的变异是由环境引起的,遗传物质没有发生变化。
可遗传的变异的来源主要有3个:基因重组、基因突变和染色体变异。
问题探讨
作为野生植物的后代,许多栽培植物的染色体数目却与它们的祖先大不相同。
野生祖先种马铃薯
(多种颜色)
栽培品种马铃薯
(一般都为黄色)
野生祖先种 栽培品种
(马铃薯)
野生祖先种香蕉
(有籽)
栽培品种香蕉
(无籽)
野生祖先种 栽培品种
(香蕉)
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先来看例子
问题探讨
生物种类 体细胞染色体数/条 体细胞非同源染色体/套 配子染色体数/条
马铃薯 野生祖先种 24 2
栽培品种 48 4
香蕉 野生祖先种 22 2
栽培品种 33 3
12
24
11
异常
1. 根据前面所学减数分裂的知识,试着完成该表格。
2. 为什么平时吃的香蕉是没有种子的?
提示:因为香蕉栽培品种体细胞中的染色体数目是33条,减数分裂时染色体发生联会紊乱,不能形成正常的配子,因此无法形成受精卵,进而形成种子。
无籽香蕉
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来回答问题:马铃薯和香蕉的染色体数目表。配子染色体条数依次:12、24、11、异常。
问题探讨
生物种类 体细胞染色体数/条 体细胞非同源染色体/套 配子染色体数/条
马铃薯 野生祖先种 24 2
栽培品种 48 4
香蕉 野生祖先种 22 2
栽培品种 33 3
12
24
11
异常
3.分析表中数据,你还能提出什么问题吗?能否发挥想象力作出一些推测呢?
能形成种子的植物,其体细胞染色体数一定是偶数吗?栽培的香蕉体细胞的染色体数目不是偶数,它是怎样形成的呢?又是如何繁殖下一代的?
无籽香蕉
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疑惑?我们知道。。。然而,。。。而且,在自然界,像这样的例子还有很多,为什么会这样呢?这说明染色体发生了数目上的变异,这就是染色体变异造成的。
染色体变异
减数分裂和受精作用,能够使生物体亲子代间的染色体数目保持稳定。然而,马铃薯和香蕉的染色体数目为什么与它们的野生袓先有很大差别呢?
生物体的体细胞或生殖细胞内染色体数目或结构的变化。
染色体变异概念
染色体数目的变异
a
染色体结构的变异
b
基因突变、基因重组:光镜下不可见(分子水平)
染色体变异:光镜下可见(细胞水平)
染色体变异类型
与其他变异区别
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自主学习:仔细阅读课本87页,总结染色体变异的概念、类型、及与基因突变和基因重组的区别(光学显微镜下是否可见)。
一、染色体数目的变异
细胞内染色体数目以一套完整的非同源染色体(染色体组)为基数成倍地增加或成套地减少。
细胞内个别染色体的增加或减少。
非整倍变异
整倍变异
正常果蝇
(2n=8)
增加一条
减少一条
增加两套
减少一套
单体:2n-1
三体:2n+1
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染色体数目变异的类型:可以分为两类 以果蝇为例,遗传学上将二倍体生物中缺失一条染色体的个体称为单体,常用(2n-1)来表示。
一、染色体数目的变异
唐氏综合征即21三体综合征
— 多了一条21号染色体
类型一:细胞内个别染色体的增加或减少
Turner综合征 性腺发育不良
—少了一条X染色体
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实例:①21三体综合征(唐氏综合征)是人类第一个被确认的染色体病。由于细胞内多了一条21号染色体所致。患者具有特殊的呆傻面容,智力发育不全,生长发育迟缓是唐氏综合征最突出最严重的表现。
②Turner综合征(先天性卵巢发育不全),患者缺少了一条X染色体,表现为身体比较矮小,肘常外翻,颈部皮肤松弛为蹼颈。外观虽然表现为女性,但是卵巢发育不良,乳房不发育,因而没有生育能力。
一、染色体数目的变异
探讨:细胞内个别染色体增加或减少形成的原因?
减数第一次分裂后期
同源染色体未分离
减数第二次分裂后期
姐妹染色单体移向细胞的同一极
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一、染色体数目的变异
类型二: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
野生马铃薯配子中染色体
①野生马铃薯体细胞中有几个染色体组?
②每个染色体组包括多少条染色体?这些染色体在形态和功能上有什么特点?这些染色体之间是什么关系?
③野生马铃薯配子中的染色体可以看作一个染色体组吗?
1、染色体组
在大多数生物的体细胞中,染色体都是两两成对的,也就是说含有两套非同源染色体,其中每套非同源染色体称为一个染色体组。
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以果蝇和人体为例,进一步理解。一个染色体组有什么特点?
细胞中的一组非同源染色体,在形态和功能上各不相同,但又相互协调, 共同控制生物的生长、发育、遗传和变异的一组染色体。
一个染色体组中不存在同源染色体
一个染色体组中各个染色体的形态、大小和功能均不相同
一个染色体组中含有该物种的一整套完整遗传信息
一个染色体组中不含等位或相同基因
任务一:通过染色体组模拟,归纳出染色体组的特点。
一、染色体数目的变异
1、染色体组
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染色体组在生活中的模拟类比:套尺 一个染色体组有什么特点?
一、染色体数目的变异
1、染色体组
任务二:根据染色体的形态判断染色体组数,并完成表格。
项目
染色体组数
每个染色体组内染色体数
3
3
2
3
1
4
4
2
2
2
细胞中同一形态的染色体有几条,则含有几个染色体组;
细胞中有几种形态的染色体,一个染色体组中就有几条染色体。
方法一:根据染色体形态判断
染色体组的判定方法
公式推断: 染色体组数=“染色体数/染色体形态数”
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一、染色体数目的变异
1、染色体组
染色体组的判定方法
任务三:根据基因型判断染色体组数。
控制同一性状的基因(同一英文字母,无论大小写)出现几次,就含有几个染色体组。
有几种字母出现,一个染色体组中就有几条染色体。
方法二:根据基因型判断
项目
染色体组数 ____ ____ ____ ____
1
3
2
4
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4 2 2 2
一、染色体数目的变异
2、二倍体
由受精卵发育而来的,体细胞中含有两个染色体组的个体。
在自然界,几乎全部动物和过半数的高等植物都是二倍体。
配子
二倍体
×
2N
2N
N
N
受精卵
2N
二倍体
2N
一般写作:2n
每个染色体组中染色体数
染色体组数
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通常可用2n来表示,人类的染色体可表示为2n=46。例如:果蝇、玉米、人等。二倍体生物有性生殖过程 不只有
一、染色体数目的变异
3、多倍体
三倍体生物的形成过程:
配子
二倍体
×
2N
2N
N
N
受精卵
2N
三倍体
2N
一般情况下,二倍体通过减数分裂形成的配子有几个染色体组呢?
2N
3N
3N
错误
三倍体:由受精卵发育而来的,体细胞中含有三个染色体组的个体。
例如:无子西瓜、香蕉等
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一般情况下,二倍体通过减数分裂形成的配子只有一个染色体组。
一、染色体数目的变异
3、多倍体
四倍体生物的形成过程:
配子
二倍体
×
2N
2N
N
N
受精卵
2N
四倍体
2N
2N
4N
4N
错误
四倍体:由受精卵发育而来的,体细胞中含有四个染色体组的个体。
错误
2N
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减数分裂出现错误
一、染色体数目的变异
3、多倍体
四倍体生物的形成过程:
配子
二倍体
×
2N
2N
N
N
受精卵
2N
四倍体
2N
4N
多倍体:由受精卵发育而来的,体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体。
二倍体胚或幼苗
2N
有丝分裂错误
染色体
只复制未分离
多倍体在植物中很常见,在动物中极少见。
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减数分裂出现错误 多倍体常是二倍体祖先经过染色体数加倍或种间杂交产生的。
一、染色体数目的变异
三倍体因为原始生殖细胞中有3套非同源染色体(3个染色体组),减数分裂时出现联会紊乱,因此不能形成可育的配子。
思考1:三倍体的生物可育吗?
3、多倍体
思考2:三倍体不可育,那四倍体可育吗?
四倍体可以通过减数分裂形成含有两个染色体组的配子,因此是可育的。
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联会紊乱:正常情况下联会时同源染色体配对,然后要把同源染色体分开,若同源染色体为偶数条则可以平均分开,但三倍体的同源染色体是三条,即一种形态的染色体有三条,没有办法平均分开,即形成联会紊乱,减数分裂不能正常进行,所以不能形成配子,无法形成种子。
一、染色体数目的变异
3、多倍体
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含量都有所增加。
生长缓慢,结实率低。
优
点
缺
点
多倍体植株特点
四倍体葡萄的果实比二倍体的大得多
四倍体番茄的维生素C含量比二倍体的几乎增加了一倍
四倍体草莓
二倍体草莓
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一、染色体数目的变异
3、多倍体
思考:多倍体是如何形成的呢?
海拔/m 2100-3000 3000-4000 4000-5200
草本植物多倍体频率 29.4%-47.1% 33.3%-53.3% 55.6%-70.4%
青藏高原东北部多年生草本植物多倍体频率
青藏高原草本植物多倍体频率随海拔高度上升而增加
人工的呢?
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多倍体常是二倍体祖先经过染色体数加倍或种间杂交产生的。
一、染色体数目的变异
3、多倍体
方法
处理对象
原理
应用
低温处理或用秋水仙素诱发(最常用且最有效)等
萌发的种子或幼苗
能够抑制纺锤体的形成,导致染色体不能移向细胞的两极,从而使细胞内染色体数目加倍
含糖量高的甜菜和三倍体无子西瓜的培育
探究:阅读课本P88,找出人工诱导多倍体的方法、处理对象、原理及应用,完成下表。
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强调:Ⅰ秋水仙素最有效最常用Ⅱ作用于有丝前期Ⅲ处理后细胞停留在有丝中期Ⅳ不影响染色体的复制和着丝粒分裂Ⅴ涂抹萌发的种子或幼苗Ⅵ并非所有细胞染色体均加倍Ⅶ处理时期越早,影响越大
一、染色体数目的变异
3、多倍体
原理:
染色体复制
着丝粒
分裂
进入下一个
周期
无纺锤体形成
无纺锤丝牵引
染色体加倍的体细胞
低温或
秋水仙素
抑制
纺锤体的形成
导致
染色体不能移向细胞的两极
导致
染色体
数目加倍
继续分裂
多倍体
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一、染色体数目的变异
阅读P91,请尝试说出三倍体无子西瓜的培育过程
二倍体
杂交
二倍体
(父本)
四倍体
(母本)
三倍体
联会紊乱
无子西瓜
秋水仙素
授粉
第一年
第二年
2.两次传粉的目的?
第一次:
杂交获得三倍体种子
第二次:
刺激子房发育成果实
1.无子西瓜一定没有种子吗?
减数分裂时,联会紊乱
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一、染色体数目的变异
4、单倍体
由配子直接发育而来的,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。
①成因:
由配子(如卵细胞、花粉等)直接发育而来的个体。
②代表生物:
蜜蜂中的雄蜂
③单倍体植株特点:
与正常植株相比,单倍体植株长得弱小,而且高度不育。
蜜蜂
蜂王
工蜂
雄蜂
由受精卵发育而来二倍体
由卵细胞发育而来单倍体
蜂王 雄蜂 工蜂
32条 16条 32条
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导:在生物的体细胞中,染色体数目不仅可以成倍的增加,还可以成套的减少。含偶数个染色体组:可育;含奇数个染色体组:高度不育
一、染色体数目的变异
4、单倍体
思考:单倍体有什么应用价值呢?
应用—单倍体育种
(1) 方法:
花药(花粉)离体培养 + 人工诱导染色体加倍
(2) 流程:
离体培养
秋水仙素处理
筛选
(3) 原理:
染色体变异
思考·讨论:
现有纯合的高秆抗病小麦(DDTT)和矮秆感病小麦(ddtt),怎样尽快得到矮秆抗病的优良品种(ddTT)?用遗传图解表示出来。
花药
单倍体
幼苗
纯合体
优良性状
纯合体
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仔细阅读课本89页,找出 获得单倍体的方法:花药离体培养
花药离 体培养
P
F1
配子
DDTT
DDtt
ddTT
ddtt
正常植株(纯合)
秋水仙素
单倍体育种
P
高杆抗病
DDTT
×
矮杆感病
ddtt
F1
高杆抗病
DdTt
F2
D_T_
D_tt
ddT_
ddtt
ddTT
杂交育种
矮抗
⊗
需要的纯合矮抗品种
连续 自交
第1年
第2年
第3-6年
高杆抗病
DDTT
×
矮杆感病
ddtt
高杆抗病
DdTt
DT
Dt
dT
dt
单倍体植株
第1年
第2年
DT
Dt
dT
dt
需要的纯合矮抗品种
优点:单倍体育种能明显缩短育种年限,子代均为纯合子。
操作技术复杂 选种
(1)花药离体培养≠单倍体育种:
单倍体育种一般包括:杂交、花药离体培养、秋水仙素处理和筛选4个过程 。
(2)单倍体育种的选择时机:
不能选择特定基因型的花粉,因为花粉不能表现出相关性状,
应在秋水仙素处理后获得的纯合子中选择具有所需性状的个体。
(3)单倍体育种与多倍体育种的操作对象不同:
①由于单倍体往往高度不育,育种操作的对象一般是单倍体幼苗,
通过组织培养得到纯合子植株。
②多倍体育种操作的对象是正常萌发的种子或幼苗。
染色体变异在育种上的应用
注 意
一、染色体数目的变异
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操作对象:单倍体幼苗还是正常植株
单倍体、二倍体、多倍体的比较
项目 单倍体 二倍体 多倍体
概念
发育起点
染色体组的数目
性状表现
由配子发育而来,体细胞的染色体数目与本物种配子染色体数目相同的个体
由受精卵发育而来,体细胞中含有2个染色体组的个体
由受精卵发育而来,体细胞中含有3个或3个以上染色体组的个体
未受精的配子
一般为受精卵
一般为受精卵
不确定(是正常体细胞染色体组数目的一半)
2个
3个或3个以上
植株矮小,且高度不育(除雄蜂外)
茎秆粗壮,叶片、果实、种子较大,营养丰富,但发育迟缓,结实率低
正常(作为单倍体、多倍体的参照物)
一、染色体数目的变异
归纳总结
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一、染色体数目的变异
单倍体育种 多倍体育种
原理
常用方法
优势
缺点
多倍体育种和单倍体育种的比较
染色体变异
染色体变异
花药离体培养后
人工诱导染色体数目加倍
秋水仙素处理萌发的种子、幼苗
明显缩短育种年限
得到的植株是纯合子
操作简单
技术复杂一些,需与杂交育种配合
适用于植物,在动物方面难以操作
归纳总结
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染色体组成倍减少,在加倍后得到纯种 染色体组成倍增加
易错判断:
(1)体细胞中含一个染色体组的生物体一定是单倍体。
(2)单倍体生物的体细胞中一定只含一个染色体组。
(3)体细胞中含有三个染色体组的生物体一定是三倍体。
(4)三倍体生物的细胞中一定含三个染色体组。
(5)多倍体植物多表现为茎秆粗,叶、果实、种子较大,早熟、多籽性状。
(6)蜜蜂中的雄蜂是由未受精的卵细胞直接发育而来的。
(7)二倍体体细胞处于有丝分裂后期时,染色体组为4组。
(8)二倍体减数分裂Ⅱ后期细胞中有1个染色体组。
(9)单倍体育种时可以用秋水仙素处理单倍体萌发的幼苗或种子。
(10)“单体”“三体”是分别发生了以染色体组为单位的成套减少、增加所致。
√
√
×
×
×
×
√
×
×
×
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二、染色体结构的变异
猫叫综合征
—5号染色体部分缺失
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导:人类的许多遗传病是由染色体结构改变引起的。引起的
二、染色体结构的变异
正常翅
缺刻翅
a
b
c
d
e
f
实例:果蝇缺刻翅的形成
人类猫叫综合征
人的5号染色体部分缺失引起的遗传病,患儿哭声轻,音调高,生长发育迟缓,智力严重障碍
染色体的某一片段缺失引起变异。
1.缺失
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注意:比较染色体片段缺失与碱基缺失(原理、观察)
二、染色体结构的变异
正常眼
棒状眼
a
b
c
d
e
f
b
实例:果蝇棒状眼的形成
染色体中增加某一片段引起变异。
2.重复
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二、染色体结构的变异
正常眼
花斑眼
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
k
实例:果蝇花斑眼的形成
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。
3.易位
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二、染色体结构的变异
比较染色体易位与染色体互换
图解
区别 位置
原理
观察
发生于非同源染色之间
发生于同源染色体的非姐妹染色单体之间
染色体结构变异
基因重组
可在显微镜下观察到
在显微镜下观察不到
染色体易位
染色体互换
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二、染色体结构的变异
正常翅
卷翅
c
d
e
f
a
b
a
f
b
c
d
e
b
c
d
e
实例:果蝇卷翅的形成
a
b
c
d
e
f
a
b
c
d
e
f
b
c
d
e
a
f
位置颠倒
染色体的某一片段位置颠倒引起的变异。
4.倒位
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二、染色体结构的变异
思考:染色体结构变异会使基因的结构发生变化吗?
染色体结构上的缺失、重复、易位和倒位
染色体上的基因数目或排列顺序的改变
生物性状的改变(变异)
大多数染色体结构变异对生物体是不利的,甚至导致生物体死亡。
影响
结果
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自主学习:阅读课本P90,总结染色体结构变异的类型及结果。
注意区别染色体结构变异和基因突变(实质、对象、结果、显微镜下观察)染色体片段改变/碱基改变 染色体结构改变(基因数目或排列顺序)/基因结构(种类)改变
染色体结构变异与基因突变的比较
项目 基因突变 染色体结构变异
变化
实质 基因发生碱基的替换、缺失、增添 染色体上的基因片段缺失、重复、倒位及易位
对象 碱基 基因
结果 碱基的排列顺序改变 基因数目或排列顺序改变
镜检 不可见 可见
核心归纳
S z L w h
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探讨点 辨析染色体结构变异的类型(通过联会的图像)
1.下图为显微镜观察的变异杂合子染色体联会异常现象,通过图示
辨析染色体结构变异的类型。
缺失
重复
易位
倒位
2.上述变异类型中,_____和_____改变了染色体上基因的数量,_____
和_____改变了基因在染色体上的_________。
缺失
重复
易位
倒位
排列顺序
核心探讨
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习题检测:
典型:如图①②③④分别表示不同的变异类型,其中③中的基因片段2由基因片段1变异而来。下列有关说法正确的是
A.图①表示互换,②表示易位
B.图③中的变异属于染色体结构变异中的缺失
C.图中4种变异能够遗传的是①③
D.图中4种变异均能在光学显微镜下观察到
√
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项目 基因突变 基因重组 染色体变异
适用范围
类型
发生时期
结果
光学显微镜观察
意义
育种中的应用
所有生物(包括病毒)
自然状态下,发生在真核生物的有性生殖过程中
真核生物
诱发突变、自发突变
染色体互换型、自由组合型(R-S转化实验)
染色体结构变异、染色体数目变异
任何时期,主要发生在有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期
减数第一次分裂前期、减数第一次分裂后期
任何时期,主要发生在细胞分裂时
引起基因碱基序列的改变(产生了新基因)
产生了新基因型和性状组合、不能产生新的基因和性状
使排列在染色体上的基因数目或排列顺序发生改变,不产生新的基因
不能观察到,属于分子水平
不能观察到,属于分子水平
能观察到,属于细胞水平
新基因产生的唯一途径;
生物变异的根本来源;
为生物的进化提供了丰富的原材料;
生物变异的来源之一,对生物进化具有重要的意义
诱变育种
杂交育种
单倍体育种、多倍体育种
三种可遗传变异的比较
生物变异的来源之一,对生物进化具有重要的意义
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弄清本质
易错判断:
1. 染色体上某个基因的丢失属于基因突变( )
2. DNA分子中发生三个碱基对的缺失导致染色体结构变异( )
3. 染色体易位或倒位不改变基因数量,对个体性状不会产生影响 ( )
4. 非同源染色体某片段移接,仅发生在减数分裂过程中 ( )
5. 体细胞中含有两个染色体组的个体是二倍体,含有三个或三个以上染色体组的个体是多倍体 ( )
6. 染色体组整倍性变化必然导致基因种类的增加 ( ) 7. 水稻(2n=24)一个染色体组有12条染色体,水稻单倍体基因组有12条染色体。
8. 用秋水仙素处理单倍体植株后得到的一定是二倍体( )
9. 单倍体含有的染色体组数都是奇数( )
10. 单倍体一定不含同源染色体,不含等位基因( )
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√
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三、探究实验:低温诱导植物细胞染色体数目的变化
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三、探究实验:低温诱导植物细胞染色体数目的变化
用______处理植物的___________细胞,能够____________________,以至影响细胞___________中染色体______________,导致 ______________________________,于是植物细胞中的染色体数目发生变化(加倍)。
低温
分生组织
抑制纺锤体的形成
有丝分裂
被拉向两极
细胞不能分裂成两个子细胞
低温诱导只影响纺锤体的形成,不影响着丝粒的分裂。
此细胞不能分裂成两个细胞,于是一个细胞中的染色体就会加倍。
1.实验原理
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三、探究实验:低温诱导植物细胞染色体数目的变化
培养不定根
低温诱导
将蒜(或洋葱)在冰箱冷藏室内放置一周。取出后,放在装满清水的容器上方,让蒜的底部接触水面,于室温(约25°C )进行培养。
待蒜长出约1 cm长的不定根时,将整个装置放入冰箱冷藏室内,诱导培养48~72 h。
剪取诱导处理的根尖0.5~1 cm,放人卡诺氏液中浸泡0.5~1 h,以固定细胞的形态,然后用体积分数为95%的酒精冲洗2次。
解离→漂洗→染色→制片
先用低倍镜寻找染色体形态较好的分裂象。视野中既有正常的二倍体细胞,也有染色体数目发生改变的细胞。确认某个细胞发生染色体数目变化后,再用高倍镜观察。
(一)
根尖培养与诱导
(二)
固定细胞形态
(三)
制作装片
(四)观察
2.实验过程
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三、探究实验:低温诱导植物细胞染色体数目的变化
3.实验结果
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三、探究实验:低温诱导植物细胞染色体数目的变化
1.实验中几种试剂的使用方法和作用
试剂 使用方法 作用
卡诺氏液 将根尖放入卡诺氏液中浸泡0.5~1 h
体积分数为95%的酒精 冲洗卡诺氏液处理过的根尖
与质量分数为15%的盐酸等体积混合,浸泡经固定处理的根尖
清水 漂洗解离后的根尖约10 min
甲紫溶液 把漂洗干净的根尖放进盛有甲紫溶液的玻璃皿中染色3~5 min
固定细胞形态
洗去卡诺氏液
解离根尖细胞
洗去解离液
使染色体(染色质)着色
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5种 质量分数为15%的盐酸:
三、探究实验:低温诱导植物细胞染色体数目的变化
2.两次漂洗的比较
项目 第一次漂洗 第二次漂洗
时间不同
试剂不同
目的不同
在固定之后解离之前
在解离之后染色之前
用体积分数为95%酒精漂洗
用清水漂洗
洗去多余的卡诺氏液
洗去多余的解离液
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三、探究实验:低温诱导植物细胞染色体数目的变化
实验注意事项
(1)选材:应选用能进行分裂的分生组织细胞,否则不会出现染色体加倍的
情况。
(2)并不是所有细胞中染色体均已加倍:只有少部分细胞实现“染色体加
倍”,大部分细胞仍为二倍体分裂状况。
(3)显微镜下观察到的是死细胞,而不是活细胞:植物细胞经卡诺氏液固定
后死亡。
(4)抑制纺锤体形成≠着丝粒不分裂:着丝粒分裂与纺锤体无关,着丝粒到
有丝分裂后期即分裂,无纺锤丝牵引,着丝粒也分裂。
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本实验是否温度越低效果越显著?为什么?必须为“适当低温”,以防止温度过低对根尖细胞造成伤害。
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