遗传与基因工程

教材分析

本章教材是学生在高中生物必修课中学习了有关遗传学基本知识的基础上讲述的。其中《细胞质遗传》是对必修教材中细胞核遗传部分知识的补充，可以使学生全面认识遗传物质是由核内和质内两部分构成，同时也为下面章节讲述细胞质中的遗传物质──质粒埋下了伏笔，《基因的结构》、《基因表达的调控》可以使学生对基因及其表达机理在高二基础上取得更深一层的认识和理解。而《基因工程简介》在本章中占有重要地位。由于基因工程技术是四大生物工程的核心技术，本章又是讲述四大生物工程内容的开篇，所以无论从其内容，还是从其所处的地位来看，本章教学内容对理解下面各章内容都具有重要作用。因此，本章是本册教材的重点。

教学目标

1．知识方面

（1）理解细胞质遗传的概念和特点以及形成这些特点的原因（识记）。

（2）理解细胞质遗传的物质基础是细胞质中的DNA（识记）。

（3）理解细胞质遗传在育种中的应用（知道）。

2．态度观念方面

（1）通过理解细胞核遗传与细胞质遗传的关系，使学生树立辩证唯物主义思想。

（2）结合我国科学家利用三系配套法培育出了小麦、谷子、水稻等优势杂交种的实例，特别是结合被世界同行誉为“杂交水稻之父”的袁隆平院士首创三系杂交水稻的实例，对学生进行创新精神和爱国主义教育，激发学生的民族自豪感，激励学生学习科学家孜孜不倦的探索精神。

（3）通过对细胞质遗传在育种中的应用的学习，培养学生将科学技术这“第一生产力”转化为直接生产力和现实生产力的STS意识。

3．能力方面

（1）通过对细胞质遗传特点及形成该特点原因的探究，培养学生观察、对比、分析、推理、归纳、综合等抽象思维能力。

（2）提高学生的探究能力和科学素养。

（3）培养学生搜集资料、处理信息的能力。

重点、难点分析

细胞质遗传的特点和形成这些特点的原因以及细胞质遗传在育种中的应用是本节的教学重点。

由于细胞质遗传在育种中的应用这部分内容涉及到了核质互作的遗传原理、杂种优势以及三系配套等一些专业性很强的与育种有关的知识，而这部分知识又是学生过去很少接触的，因此它是本节的教学难点。

教学模式

引导──探究式教学方法。

教学手段

主要应用影像逼真的投影片加强直观教学。

课时安排　　 二课时。

设计思路

在教学过程中，不是将知识直接传授给学生，而是采用引导──探究策略，创设情境，着眼于把学生领进探究知识的过程中去，让学生通过自己的观察、思考去探究知识的形成，在探究知识的过程中，启迪、训练学生的思维，帮助学生学会思考，点拨思路，引导方法，培养能力，使学生不仅感受到探索和成功的乐趣，而且受到科学态度、科学精神的熏陶，并增强STS意识。

第一课时

一、创设情景，导入新课

提到遗传，人们不会忘记遗传学之父──孟德尔，他以严谨求实的科学态度和正确的研究方法以及持之以恒的探索精神，发现了基因分离定律和基因自由组合定律，拉开了20世纪人类解开遗传之谜的序幕。尽管他的两大发现被埋没了30余年，但在他去世后的第16年──1900年，由于德国学者科伦斯等人的努力使孟德尔的科学发现重见天日。然而，就在9年之后，还是科伦斯的发现再一次对孟德尔的遗传定律提出了质疑。这到底为什么呢？

二、探究新知

（一）提供感性材料

1．利用投影片演示1909年德国植物学家兼遗传学家──科伦斯的紫茉莉质体遗传试验。

（1）简要介绍实验材料──紫茉莉。

紫茉莉的枝条一般是绿色的，因为它含有叶绿素的正常叶绿体。但这种植物存在着多种变异类型，如花斑植株，它的枝叶呈现出白绿相间的花斑状，有时在它的植株上还会出现三种不同的枝条──绿色的、白色的、花斑状的。为什么？科伦斯通过镜检发现：是由于紫茉莉的叶肉细胞中存在着不同种类的质体。绿色叶的细胞里含有的是有叶绿素的叶绿体；白色叶的细胞里不含叶绿体，而仅含没有色素的白色体，这种白化突变在自然界中可能是由某种因素引起的，如紫外线照射等；而花斑叶中含有三种不同的细胞：只含有叶绿体的细胞、只含有白色体的细胞、同时含有叶绿体和白色体的细胞，三种不同的细胞互相间隔存在，使得枝条呈现了白绿相间的花斑状。

（2）演示紫茉莉枝叶的性状遗传的杂交试验过程（参考教材P43表3-1，紫茉莉花斑植株的杂交结果），学生观察、思考。

2．结果是不是一种偶然？经过科伦斯的多次重复性试验，都得到了相同的试验结果。与此同时，德国科学家鲍尔发现天竺葵的叶色遗传也有相似现象。

3．针对以上两组感性材料，学生展开付论：为什么上述试验对孟德尔的遗传定律再次提出了挑战？孟德尔的一对相对性状和两对相对性状的豌豆杂交试验结果是怎样的？紫茉莉枝叶遗传的杂交试验与之相比有哪些主要不同？教师适时引导学生回顾已有知识，通过对比使学生认识到，紫茉莉枝叶性状的独遗传特点是：一是F1并不表现出显性性状，而总是表现出母本性状。此时给出“母系遗传”的概念，二是F1的性状不会出现一定的分离比。再次强化学生已有知识与当前知识的矛盾冲突，使学生渴望知识的心理处于激发状态，以引发学生强烈的探索欲望。

（二）进行理性分析

按照从现象到本质，从感性到理性的认知规律，教师应适时抓住学生心理，引导学生复习和设疑提问，启发学生思维，发现科学本质。

1．性状受何物质控制？

基因是决定生物性状的基本单位。

2．基因分布于细胞的何种结构中？

基因是有遗传效应的DNA片断。 DNA主要存在于细胞核，少量存在于细胞质，如线粒体、叶绿体中。此处顺理成章地引出“核基因”和“质基因”的概念，并且分析比较核基因和质基因的主要区别：一是存在位置不同，二是存在方式不同。核基因在染色体上直线排列，而组成质基因的DNA并不与蛋白质结合，而是呈双链环状等形状单独存在。

在复习已有知识的基础上，教师进一步设疑引导，既然细胞核与细胞质内都有可以控制性状的基因，今天遇到的紫茉莉与天竺葵枝叶的遗传与以前学习的豌豆、果蝇等性状的遗传要受谁的控制呢？富有探索性的问题使学生思维极为活跃。经回顾已有知识、讨论分析，学生一致认为孟德尔的遗传定律描述的是细胞核遗传，即细胞核内染色体上的基因控制的遗传。而前面已经分析了紫茉莉枝叶的遗传特点与细胞核遗传特点存在很大差别，那么，是不是不再受核基因的控制，而是受质基因的控制呢？学生大胆提出了假设：它们可能属于细胞质遗传。如果是细胞质遗传的话，细胞质遗传的物质基础应该是细胞质中线粒体、叶绿体等细胞质结构中的DNA，即质基因。那么，这种假设是否正确？引导学生进行以下探究。

3．是什么原因导致核基因和质基因遗传特点的不同呢？

（1）利用投影片出示教材P44图3-2“母系遗传与核遗传正、反交比较”，由学生讨论、交流、归纳：后代的核基因不论正交还是反交，总是父方与母方各提供一半，因此核基因型相同；而质基因在正交和反交时却出现明显的不同，因为受精时精子中只带有很少的细胞质，使得受精卵中的细胞质几乎全部来自于卵细胞，这样受细胞质内的遗传物质控制的性状实际上是由卵细胞传给后代的，因此会表现为母系遗传现象。这也初步证明了学生的假设是成立的，使学生感受到了成功的喜悦，增强了学习探索的信心。

（2）为什么以花斑紫茉莉为母本时，后代会产生三种不同的植株？引导学生分析得出：由于花斑紫茉莉的卵原细胞在减数分裂时，细胞质中的基因并不像核基因那样有规律地分离，而是随机地、不均等地分配到子细胞中去，因此会产生三种卵细胞，从而会产生三种不同的植株。这种随机性和不均等性就导致了细胞质遗传的第二个特点：后代不出现一定的分离比。

通过分析使学生再次确认，紫茉莉枝叶性状的遗传是细胞质遗传。从而认识到高二阶段学习的细胞核遗传并不是生物惟一的遗传方式，科伦斯对细胞质遗传现象的发现，是对孟德尔定律的挑战，更是对它的补充。与导言呼应，对导言中提出的质疑做出了解答。

三、归纳升华

教师提供细胞核遗传和细胞质遗传的一些实例资料，并请学生阅读教材P46“线粒体DNA的重要作用”的资料，然后引导学生归纳。

1．生物体中绝大部分性状是受细胞核基因的控制，核基因确实是主要的遗传物质，而有些性状是要受到细胞质基因的控制。

2．细胞核遗传和细胞质遗传各自都有相对的独立性。这是因为，尽管在细胞质中找不到染色体一样的结构，但质基因与核基因一样，可以自我复制，可以控制蛋白质的合成，也就是说，都具有稳定性、连续性、变异性和独立性。

3．细胞核遗传与细胞质遗传相互影响，很多情况是核质互作的结果。虽然细胞核遗传与细胞质遗传都有相对的独立性，但这并不意味着二者没有丝毫关系。因为细胞核和细胞质都是细胞的重要组成部分，共同存在于一个整体中，它们之间必然是相互依存、相互制约，不可分割的。它们控制的遗传现象也必定相互影响，很多情况是核质互作的结果。此处为下一课时埋下伏笔。

四、知识反馈

学生独立完成下面表格，师主共同进行学习结果的评价。

 

比较	细胞核遗传	细胞质遗传
物质基础
表现性状
杂交后代性状比例
减数分裂形成的子细胞中遗传物质的分配

通过对比练习，再一次使学生对细胞核遗传和细胞质遗传各自特点进行归纳总结，培养学生概括、归纳知识的能力，使学生在归纳和概括的过程中把所学的知识系统化、条理化。使学生学会归类、对比的学习方法。

五、布置作业

1．全体学生完成书后习题。

2．对于那些对生物学科兴趣浓、学有余力的学生，请他们通过书刊杂志、网络等途径搜集“袁隆平和杂交水稻”的有关资料，这样，不仅可以给学生提供更多的参与机会，而且可以培养学生搜集资料、处理信息的能力，并为下一课时的顺利进行做好铺垫。

第二课时

我国是泱泱农业大国，但耕地面积仅仅占世界的10％，却要养活占世界22％的人口，粮食问题一直是困绕在中国人民，乃至世界人民心头的难题。经过长期的实践与探索，人们终于发现，“杂种优势”可以大幅度提高粮食产量。什么是“杂种优势”？它为什么能大幅度提高农作物的产量？这样从实际问题入手，可以使学生充分认识到所学生物学知识在生产、生活和社会实践中的广泛应用价值，从而激发学生的学习兴趣，调动学生的学习动力。

一、探究新知

（一）杂种优势

教师采用层层递进的方法，提出一系列探索性问题，引导学生分析、归纳、理解杂种优势有关知识。

1．杂种优势现象：学生自学，从教材中找出。

2．杂种为什么会表现出优势？引导学生回忆基因的自由组合定律在育种上的应用，讨论分析出很可能就是因为杂种可以集合双亲的有利基因而产生杂种优势，并且两个亲本的亲缘关系越远，携带的异质基因越多，杂种优势越明显。使学生对杂种优势的原理有初步理解。

3．杂种优势会不会稳定遗传？不会，根据遗传定律，杂种F1自交后会出现性状分离。

4．在农业生产上利用杂种优势育种所面临的难题是什么？要保持作物的杂种优势，必须年年配制第一代杂交种。

5．杂交育种的主要措施是什么？引导学生回忆盂德尔的杂交试验，讨论归纳出杂交育种的关键步骤就是人工去雄。

6．出示玉米和水稻植株的模式图，让学生比较雌雄同株异花植物和雌雄同花植物在花的结构和位置上的区别，使学生发现，对于玉米等雌雄同株异花植物，人工去雄还比较容易，但是，对于水稻、小麦等雌雄同花植物，花又很小，人工去雄就非常困难了。如何解决实际生产中的问题，让杂交育种工作变得简单易行呢？

此时可以先让学生做出大胆假设，培养学生的创新思维。然后，由教师提出：针对如此大的难题，我国科学家是如何采取措施的？由此引出袁隆平和他培育杂交水稻的三系配套法，进入本节重点课题的探讨。

（二）三系配套法育种

1．学生主要按照以下几个方面进行资料交流。

（1）我国水稻育种专家──袁隆平在20世纪60年代有什么梦想？想利用雄性不育的“母稻”来生产出水稻的杂交种。

什么是雄性不育？植株的雄蕊发育不正常，不能产生可育的花粉，但是雌蕊正常发育，可以接受其他植株的花粉而产生种子，这种现象在遗传学上就被称为雄性不育。同种植物中具有可遗传的雄性不育性状的植株群体叫做雄性不育系。使用雄性不育系育种的优点是什么？免去大量的人工去雄工作，既节省劳动力，又保证杂交种的纯度。

这样他踏上的是一条前人没有走过的路。首要任务是必须找到雄性不育植株。

（2）何时何地他发现了雄性不育植株？

1964年7月5日午后2点25分，袁隆平终于发现了第一株天然雄性不育水稻。发现地点：安江农校水稻实验田。水稻品种：洞庭早籼。

1965年，“知识＋汗水＋灵感＋机遇”，终于成全了袁隆平的第一份心愿。这一年，他通过对8 500多穗（加上去年总计达14 000多穗）扬花期稻穗的仔细观察，新找到了5株（加去年总共6株）天然雄性不育水稻，经测算，他得出水稻天然雄性不育的发生概率大约为三千分之一。

（3）袁隆平及其助手们利用在稻田里发现的雄性不育植株做了几千次的杂交试验，结果都不太理想，他们从中得到的启示是什么？如果用远源的野生雄性不育稻与栽培稻杂交，可能会取得较好的效果。

（4）远源的野生雄性不育稻是何时发现的？1970年，海南。

（5）第一批雄性不育杂交稻种是何时诞生的？1975年，经过103个单位，300多位专家的支持。打破了世界性的自花授粉作物育种的禁区，实现了历史性的突破。

（6）杂交水稻的优势是什么？我国是世界上一个产稻大国。多年来，水稻播种面积在5亿亩左右。近年来，全国杂交水稻每年种植面积为0.153亿ha上下，约占全国水稻总面积的50％，而产量却占稻谷总产量的近60％，平均增产20％，每年增产的稻谷可养活6 000万人口。从这些材料可以看出，杂交水稻可以明显提高产量。除此以外，杂交水稻还有生长健壮、整齐，抗逆性强等优点。所以，杂交水稻技术已经在世界上几十个国家得到了推广和应用。

通过材料的交流，不仅培养了学生的信息处理能力，而且对学生进行了创新精神和爱国主义教育，激发了学生的民族自豪感，激励了学生学习科学家孜孜不倦的探索精神。

2．探究三系配套杂交育种原理

（1）雄性不育现象发生的原理──教师利用投影片讲述。

①雄蕊是否可育，是由核基因和质基因共同决定的。

核基因：可育基因R对不育基因r是显性。

质基因：可育基因为N，不育基因为S

②核基因和质基因的关系：细胞质的可育基因N可使花粉正常发育，细胞核的可育基因R能够抑制细胞质不育基因S的表达。

③结果：

（2）引导学生探究在利用雄性不育系培育杂交种的过程中遇到的两大重要问题。

①如何解决雄性不育系的自身留种问题？

要保持杂种优势，必须年年配制第一代杂交种，这样就年年需要不育系，而雄性不育系不能自花传粉，在杂交过程中只能做母本。用什么品种做父本，可以让不育植株上结出种子，而且又能保持雄性不育的特点呢？引导学生利用上节课学习的细胞质遗传和细胞核遗传知识推导出保持系的基因型是N（rr），并推导出不育系与保持系的杂交结果仍是S（rr）。另外需要对学生说明，保持系不仅要使不育系所产生的后代始终是不育的，而且，保持系的其他性状也要与不育系完全相同，这样才能使不育系完全保持不变。

②如何得到雄性可育的杂交种？大田里使用的杂交种必须是雄性可育的，这样才能生产出粮食。以雄性不育系做母本，什么品种做父本才能使后代恢复可育呢？引导同学推导出恢复系的基因型。学生利用细胞质遗传和细胞核遗传知识，经过分析不仅可以推导出教材中给出的恢复系的基因型N（RR），还可能推导出教材中没有提供的恢复系基因型S（RR）。

小结：在杂交育种中，雄性不育系、雄性不育保持系、雄性不育恢复系配套使用，就是三系配套。我国科学家利用三系配套的方法培育出了小麦、大麦、谷子、玉米、水稻等许多优势杂交种，特别是在培育水稻优势杂交种方面，我国处于世界领先地位。

实际生产中怎么才能做到三系确实能够配套使用？非常关键的一个问题就是要使三系植株间的天然 授粉顺利进行。如何使天然授粉顺利进行呢？学生讨论，教师适时引导，使学生认识到，为了使天然授粉顺利进行，保持系、恢复系不仅要和不育系的花期一致，而且植株通常要比不育系的高一些，以便花粉顺 利地散落到不育系的花上，请学生观察教材第46页图，加强理解。

花期怎么才能一致？植株高矮又如何控制？引导学生联系激素有关知识讨论，提出建议，经对比分析一致认为以下方案可采纳：一是选种时要考虑到遗传性状符合要求；二是一旦种植后，由于环境等情况影响没有达到花期一致。高矮要求，怎么办？可以采取人为喷洒激素的方法改变。此时教师出示资料。实践证明，通过使用不同浓度的赤霉素可以使植株的生长受到促进或抑制，从而调节植株的高矮和花期。这样设计，不仅使学生理论联系实际，还可以联系以前知识，更可以使学生不拘泥于教材，培养学生的发散思维。

（3）巩固练习。

①在一块稻田里，间行种植不育系和保持系，在不育系和保持系的植株上分别结出何种种子？其基因型分别为何种类型？

不育系没有花粉，花粉只能从保持系而来，因此不育系植株上结出的种子仍是不育系，保持系是一种自交情况，因此植株上结出的种子仍是保持系。

②在一块稻田里，间行种植不育系和恢复系，在不育系和恢复系的植株上分别结出何种种子？其基因型分别为何种类型？

与上题道理类似，不育系上结出的种子是杂交优势种S（Rr），恢复系上结出的种子仍是恢复系N（RR）。

③在一块稻田里，不育系、保持系和恢复系三种植株同时间行种植，结果又会怎样？

由于三系间行种植，不育系、保持系、恢复系分别都能既可以接受保持系的花粉，又可以接受恢复系的花粉，因此在不育系植株上可以得到基因型为S(rr)和S(Rr）的种子，保持系植株上可以得到N（rr）和N（Rr）的种子，恢复系植株上可以得到基因型为N（RR）和N（Rr）的种子。

通过此题使学生推想出在实际生产中配制杂交种时，一定要建立两个隔离区。一个是繁殖不育系和保持系的隔离区，交替种植不育系和保持系，在不育系植株上收获不育系种子，在保持系植株上收获保持系种子，达到同时繁殖不育系和保持系的目的。另一个是制杂交种的隔离区，交替种植不育系和恢复系，在不育系植株上收获可供大田使用的优势杂交种，在恢复系植株上收获恢复系种子，从而达到既制备了大量的优势杂交种，又繁殖了恢复系的目的。同时使学生再次感受实际生产操作的艰辛，而我们仅仅学的是三系配套杂交育种的基本理论。

二、知识拓展

杂交水稻世界第一，这是中国的骄傲，它的研究成功和大量推广，为解决我国粮食自给难题发挥了重要作用，创造了巨大的社会效益和经济效益。随着人们生活水平的提高，随着科学技术的发展，在杂交水稻等杂交育种方面，有什么新进展？同学有什么好的设想？请同学根据书后资料及课下搜集的资料，展开讨论交流。如学生会提出：

1．两系法杂交稻是我国独创的高新育种技术，是作物育种又一次重大革新。它与三系法相比，省略了三系法中的保持系，使程序简化，周期短，杂种优势更强，增产潜力更大。实践表明两系法杂交稻比现有的三系杂交稻增产5％～10％，同时米质更好。

2．打开水稻基因组这部天书。通过对水稻全基因组序列分析，可以获得大量的水稻遗传信息和全面地了解其遗传机理，并可获得大量用于农作物改良的有用基因。既有利于选择优良品种进行杂交育种，又便于利用目的性更强的基因工程育种。

3．可以采用航天诱变育种。在卫星、飞船上搭载植物种子，选育有利变异的种子育种。

通过资料交流和对未来的展望，使课堂氛围再次达到一个高潮，充分调动起学生学习的热情与动力，培养学生将科学技术这第一生产力转化为直接生产力和现实生产力的STS意识。

重点提示

1．引导—探究教学策略，目的不仅要教给学生科学知识，更要教给学生探索知识的方法。因此，在处理教材时，可以适当打破教材的顺序，先由学生感兴趣的科伦斯的试验导入，通过学生的观察和分析，发现细胞质遗传的两个特点，发现其与以前学的细胞核遗传的不同，这样前后知识的矛盾，引发学生更强烈的探究欲望，使学生更主动地去探究产生出这些特点的物质基础及原因，之后再由学生自己探究，发现归纳出细胞核遗传和细胞质遗传的概念。

2．关于三系配套育种，知识难度较大，教师应该用丰富的资料与情感，感染学生，激发起学生的学习热情与探究欲望，减少学生心理上的抵触情绪，自然使知识由难变易；另外，紧紧抓住不育系核质互作特点及三系配套中不育系留种、育杂交种这两大问题为主线，可以使知识由繁化简。

3．对于一些抽象、难以理解的知识，如细胞质遗传和三系配套育种的机理，教师应尽量采取直观教学手段，如绘制投影片，设计制作课件，搜集一些图片、照片等直观教具，以形象思维启迪学生的抽象思维，达到突破难点的目的。