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黑龙江省安达市育才高中 翟贵君 生物科学的研究与农业生产及其发展密切相关，高中生物课本中许多知识都与农作物的栽培与管理有关，如绿色植物的新陈代谢、植物的激素调节、生物的生殖和发育、遗传变异、生物工程等内容。高考大纲中要求学生具有“能够综合运用自然科学的基础知识、技能，解释或解决一些简单的实际问题”的能力。以“农作物的栽培与管理”为专题对课本中的知识进行专题复习，不仅可以进一步促进学生对课本知识的理解和掌握，而且还可以培养学生分析、综合、归纳以及解决实际问题的能力。 【专题知识概要】 Ⅰ．农作物的生长和发育 包括种子的形成和萌发、植株的生长和发育等阶段。 一、各阶段的发育过程：详见教材中的相关内容。 二、各阶段的营养供应： 1．在种子形成时，胚的发育所需要的营养来自胚柄从周围胚囊中的组织中吸收来的； 2．种子萌发时所需要的营养物质来自胚乳或子叶； 3．植株的生长和发育阶段所需要的有机营养物质由光合作用提供，无机物主要由根系从土壤中吸收来的。 三、种子萌发过程中的各种变化： 首先通过吸胀作用大量吸水，萌发初期，种子的无氧呼吸由弱到强，有氧呼吸由强到弱，这时种子内的有机物的种类增多，因呼吸消耗导致总量减少。 Ⅱ．农作物的增产增收 一、选种：即选取产量高，营养价值高、抗病虫害强、生活周期短的优良品种进行种植，这些优良品种可通过杂交育种、转基因技术、诱变育种技术等措施得到。 二、对农作物生长期进行科学管理。 1．为农作物生长提供适宜条件 （1）合理灌溉 ①含义：根据植物的吸水规律适时地、适量地灌溉，以便使植物体茁壮生长，并且用最少的水获取最大的效益。 ②依据：不同植物的吸水量不同；同一种植物在不同的生长发育时期需水量也不同。 ③意义：水分可以为光合作用、呼吸作用等生理活动提供原料；水分是生物体内的各种生化反应的介质；水分有助于矿质养料的吸收；水分的散失有助于水分的吸收、水分及矿质养料在植物体内的运输以及散热等。 （2）合理施肥 ①含义：合理施肥就是指根据植物的需肥规律，适时地、适量地施肥，以便使植物体茁壮生长，并且获得少肥高效的结果。 ②依据：不同植物对各种必需的矿质元素的需要量不同。同一种植物在不同的生长发育时期，对各种必需的矿质元素的需要量也不同。 ③意义：可以保证植物体矿质养料的供应，为作物合成蛋白质、ATP、叶绿素等物质的提供原料，如Mg是合成叶绿素的原料；Fe参与叶绿素的合成；N是与光合作用有关酶、ATP、NADP＋的成分，也是合成蛋白质的原料；P是NADP＋和ATP的组成成分，在维持叶绿体膜的结构和功能上有重要作用；绿色植物通过光合作用合成糖类，以及将糖类运输到块根、块茎和种子等器官中，都需要钾；等等。 （3）提供适宜温度。 ①适宜的温度可以保证酶最高的催化活性； ②适宜的昼夜温差有助于有机物在植物体内的积累，提高作物产量。 （4）CO2的供应。主要是为了加强光合作用暗反应CO2的固定，这一点措施在大棚作物种植中尤为重要。对于农田里的农作物来说，确保良好的通风透光，既有利于充分利用光能，又可以使空气不断地流过叶面，有助于提供较多的二氧化碳，从而提高光合作用效率。对于温室里的农作物来说，通过增施农家肥料或使用二氧化碳发生器等措施，可以增加温室中二氧化碳的含量，同样可以提高农作物的光合作用效率。 （5）O2的供应。氧的含量主要影响到植物的呼吸速率。由于矿质离子的吸收与植物根细胞呼吸作用关系密切，因此，影响呼吸作用的因素也会影响到根对矿质离子的吸收，如温度、土壤中O2的含量、土壤的pH值等。农业生产上的中耕松土等措施，就是有助于增加土壤中氧气的含量，从而有助于促进根的呼吸作用。 （6）光照 ①光照强度：在其它条件都满足的情况下，随着光照增强，光合作用增强。但在实际情况下，当光照达到一定光强后，由于其它条件的限制，光合作用的强度不再继续增加，此时达到了光饱和点。不同植物的光饱和点是不同的，阴生植物的光饱和点要比阳生植物的低。 ②光质（即光的波长）：由于色素主要吸收红橙光和蓝紫光，因此在实际情况下，白光照射时光合效率最高，其次是红橙光和蓝紫光的照射，黄绿光则不利于提高光合作用效率。不同颜色的光对光合作用产物的成分有影响，在蓝紫光的照射下，光合产物中蛋白质和脂肪的含量较多；在红光的照射下，光合产物中糖类的含量较多。这一发现在塑料大棚和人工光照的温室中具有应用价值。例如，在培育水稻秧苗时，蓝色的塑料薄膜有利于培育壮秧。 ③日照长短：日照长短会影响到植物的开花期。经过短日照才能开花的植物叫短日照植物，经过长日照开花的植物叫长日照植物。在我国，南方一年中日照时间的变化不大，都是短日照，而北方的日照时间变化很大，冬天是短日照，夏天则是长日照。在作物南北移栽时，必须充分考虑到植物属于长日照的还是短日照的。 ④光照时间：延长全年内单位面积上绿色植物进行光合作用的时间，是合理利用光能的一项重要措施。间作、轮作、套作是农业生产上常用的措施。间作是指在一块耕地上间隔着同时播种两种或多种作物；轮作是指在一年里按预定的顺序轮换种植不同的作物；套作是指某一作物生长的后期，在行间播种另一种作物。这些措施，巧妙地搭配各种作物，从时间和空间上更好地利用了光能。 ⑤增加光合作用面积：农业生产上的合理密植，是增加光合作用面积的一项重要措施。 2．植物激素的利用。据植物激素的作用原理，发挥植物激素在农业生产中的作用，如适时解除作物的顶端优势现象、生长素的除草作用、无子果实的培育、乙烯的催熟作用等。 3．加强病虫害生物防治。尽量不使用农药，减少农药对环境的污染，实现生态系统的良性循环，形成绿色食品。 （1）利用转基因技术、诱变育种等方法培育抗虫作物。 （2）利用天敌捕食关系来消灭害虫。 （3）利用昆虫激素来控制害虫。如根据是幼虫期还是成虫期对农作物产生危害，用适量的保幼激素或蜕皮激素来控制害虫的发育进程；再如利用性外激素诱捕害虫或干扰雌雄昆虫的正常交尾，达到防治目的。 （4）利用昆虫趋光性的特点，用黑光灯捕杀。 三、发挥农作物的繁殖控制技术在农业生产中的应用，如为了保持亲本的优良性状，人们常采用扦插、嫁接等营养生殖的方法来繁殖后代；再如植物组织培养技术在花卉和果树的快速繁殖、培育无病毒植物等方面的广泛应用等。 四、利用先进技术手段培育优良作物，如利用生物育种技术改良作物品种，大幅度提高作物的产量和质量，实现作物的高效、高产、高质；利用转基因技术让作物具有极少数生物所具有的固氮作用，既可增产，又减少化肥对环境的污染等。 Ⅲ．农作物新品种的培育（作物育种） 一、含义： 生物育种是指人们按照自己的意愿，依据不同的育种原理，有目的、有计划地获得人们所需要的生物新品种。包括两种情况： 1．从不良性状中把所需要的优良性状（相对性状）分离出来或把位于不同个体的优良性状集中到一个个体上来。如利用基因分离的原理从高秆小麦中分离出能抗倒伏的矮秆小麦品种；通过基因的自由组合，把小麦中高秆抗锈病和矮秆不抗锈病两种性状进行重新组合获得矮秆抗病的小麦优良品种。 2．创造具有优良性状的生物新品种。如利用人工诱变育种技术培育作物新品种；利用基因工程的原理创造抗虫棉。 二、育种方法： （一）根据“可遗传变异的来源”原理进行育种 1．杂交育种： （1）原理：基因重组（通过基因分离、自由组合或连锁交换，分离出优良性状或使各种优良性状集中在一起） （2）方法：连续自交，不断选种。 （3）举例： 已知小麦的高秆（D）对矮秆（d）为显性，抗锈病（R）对易染锈病（r）为显性，两对性状独立遗传。现有高秆抗锈病、矮秆易染病两纯系品种。要求使用杂交育种的方法培育出具有优良性状的新品种。 操作方法：（参见右面图解） ①让纯种的高秆抗锈病和矮秆易染锈病小麦杂交得F1 ； ②让F1自交得F2 ；
④留F3中未出现性状分离的矮秆抗病个体，对于F3中出现性状分离的再重复③④步骤 （4）特点：育种年限长，需连续自交不断择优汰劣才能选育出需要的类型。 （5）说明： ①该方法常用于同一物种不同品种的个体间，如上例； ②对于亲缘关系较近的不同物种个体间也可以用到杂交技术，如八倍体小黑麦的培育、萝卜和甘蓝杂交，但为了使后代可育，应做染色体加倍处理，得到的个体即是异源多倍体，这种育种方式就是多倍体育种。 ③若该生物靠有性生殖繁殖后代，则必须选育出优良性状的纯种，以免后代发生性状分离；若该生物靠无性生殖产生后代，那么只要得到该优良性状就可以了，纯种、杂种并不影响后代性状的表达，如2003年全国高考卷中的育种题，可参见“典型例题分析”部分例题。 2．诱变育种 （1）原理：基因突变 （2）方法：用物理因素（如X射线、γ射线、紫外线、激光等）或化学因素（如亚硝酸、硫酸二乙脂等）来处理生物，使其在细胞分裂间期DNA复制时发生差错，从而引起基因突变。 （3）举例：太空育种、“黑农五号”大豆 （4）特点：可提高突变频率，创造出人类需要的变异类型，从中选择培育出优良的生物品种，但由于突变的不定向性和有害性，因此该种育种方法盲目性较大，且必需大量处理供试材料，工作量大。 3．单倍体育种 （1）原理：染色体变异 （2）方法：花药离体培养获得单倍体植株，再人工诱导染色体数目加倍。 （3）举例： 已知小麦的高秆（D）对矮秆（d）为显性，抗锈病（R）对易染锈病（r）为显性，两对性状独立遗传。现有高秆抗锈病、矮秆易染病两纯系品种。要求用单倍体育种的方法培育出具有优良性状的新品种。 操作方法：（参见下面图解） ①让纯种的高秆抗锈病和矮秆易染锈病小麦杂交得F1 ； ②取F1的花药离体培养得到单倍体；
③用秋水仙素处理单倍体幼苗，使染色体加倍，选取具有矮秆抗病性状的个体即为所需类型。 （4）特点：由于得到的个体基因都是纯合的，自交后代不发生性状分离，所以相对于杂交育种来说，明显缩短了育种的年限。 （5）说明：该种育种方法有时用到杂交技术，其中的花药离体培养过程需要组织培养技术手段的支持。 4．多倍体育种： （1）原理：染色体变异 （2）方法：用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，从而使细胞内染色体数目加倍，染色体数目加倍的细胞继续进行正常的有丝分裂，即可发育成多倍体植株。 （3）举例： ①三倍体无子西瓜的培育（同源多倍体的培育） 过程：参见高二必修教材第二册第49页图解 说明： a．三倍体西瓜种子种下去后，为什么要授以二倍体西瓜的花粉？ 西瓜的三倍体植株由于减数分裂过程中联会紊乱，不能形成正常生殖细胞，因而不能形成种子，子房因缺乏生长素而不能发育成果实。但在三倍体植株上授以二倍体西瓜花粉后，花粉在柱头上萌发的过程中，将自身的色氨酸转变为吲哚乙酸的酶体系分泌到西瓜三倍体植株的子房中去，引起子房合成大量的生长素；其次，二倍体西瓜花粉本身含有少量生长素，在授粉后也可扩散到子房中去，这两种来源的生长素均能使子房发育成果实。 会，但这样会使珠被发育形成的种皮厚硬，从而影响无子西瓜的品质。 ②八倍体小黑麦的培育（异源多倍体的培育）： 普通小麦是六倍体（AABBDD），体细胞中含有42条染色体，属于小麦属；黑麦是二倍体（RR），体细胞中含有14条染色体，属于黑麦属。两个不同属的物种一般是难以杂交的，但也有极少数的普通小麦品种含有可杂交基因，能接受黑麦的花粉。杂交后的子一代含有四个染色体组（ABDR），不可育，必须用人工方法进行染色体加倍才能产生后代，染色体加倍后的个体细胞中含有八个染色体组（AABBDDRR），而这些染色体来自不同属的物种，所以称它为异源八倍体小黑麦。 （4）特点：该种育种方法得到的植株茎秆粗壮，叶片、果实和种子较大，糖类和蛋白质等营养物质的含量有所增加，但发育延迟，结实率降低。 （5）说明：在育种中要用到杂交技术。 5．细胞质遗传原理育种：高考大纲中不做要求，此处略。 （二）依据“工程原理”进行育种 1．利用“基因工程”育种 （1）原理：DNA重组技术（属于基因重组范畴） （2）方法：按照人们的意愿，把一种生物的个别基因复制出来，加以修饰改造，放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。操作步骤包括：提取目的基因、目的基因与运载体结合、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与表达等。（具体过程参见教材中的相关内容） （3）举例：抗虫棉等 （4）特点：目的性强，育种周期短。 2．利用“细胞工程”育种 （1）原理：植物体细胞杂交 （2）方法：用两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，并且把杂种细胞培育成新植物体的方法。操作步骤包括：用酶解法去掉细胞壁、用诱导剂诱导原生质体融合、将杂种细胞进行组织培养等。（参见教材中的相关内容） （3）举例：“番茄马铃薯”杂种植株 （4）特点：可克服远缘杂交不亲合的障碍，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。 （5）说明：该种方法需植物组织培养等技术手段的支持。 （三）利用植物激素进行育种 1．原理：适宜浓度的生长素可以促进果实的发育 2．方法：在未受粉的雌蕊柱头上涂上一定浓度的生长素类似物溶液，子房就可以发育成无子果实。 3．举例：无子番茄的培育 4．特点：由于生长素所起的作用是促进果实的发育，并不能导致植物基因型的改变，所以该种变异类型是不遗传的。 Ⅳ．无土栽培技术漫谈 一、相关资料 无土栽培是近百年来新发展起来的一种栽培技术，使用天然基质（如碎秸秆、锯末、草炭、砂等）或人工基质（如岩棉、珍珠岩等）代替土壤，甚至不使用任何基质，运用营养液直接浸、喷植物根部，又称之为营养液栽培。 1．无土栽培的优点 （1）无土栽培作物生长快、生育期短，可实现作物的早熟高产，全年都可以栽培。 （2）它不使用有机肥，无臭味，不生杂质，不污染环境，也不被环境所污染，生产的产品新鲜、品质优良。 （3）劳动强度小，水肥用量降低。无土栽培无需传统耕作中的中耕、除草、土壤消毒、追肥等烦琐环节，单位劳动力管理的规模可大大增加，劳动强度明显下降。营养液栽培的水肥供应一般采用微管道灌溉系统，较易实行定点、局部化，可明显降低水肥的浪费。试验证明可比土壤栽培节水3～7倍，肥料利用率提高20%～30%。 （4）节约土地，不受环境制约，可在沙漠、戈壁、海岛等不毛之地进行种植，甚至在宇宙飞船和潜艇中，都能种植植物。在家庭、办公室可利用窗台、阳台、走廊、屋顶及其空闲地栽种植物，这不仅可以创造经济效益，还可以美化环境、净化空气。 （5）病虫害明显减少。无土栽培可防止因土传病原传播的多种恶性病害的发生，切断了一个较重要的病虫害传播渠道；另外，由于人为改善了根际微环境，促使植株生长健壮，增强了自身的抗病能力，避免了土壤栽培中因多年盐分积累和连作导致的土壤盐渍化及重茬减产现象。同时，基质的消毒同土壤消毒相比更经济、方便。 （6）便于工厂化生产。无土栽培充分显示出农业可以像工业生产一样，机械化、自动化生产作物，完全由人工控制植物生长。现在世界上已有全自动化无土栽培设施和立体化无土栽培工厂。 2．无土栽培的类型 无土栽培根据所用基质的不同而有不同的类型，可分为水培、沙培等。 3．无土栽培的技术基础 培养液的成分、浓度、配制和调节，是无土栽培的重要技术基础。 营养液应具备以下三个特点： （1）包括所有的必需的矿质元素，对某些植物还可以增加有关的元素，例如禾本科植物的营养液中可以加入适量的Si。 （2）是均衡的营养液，也就是矿质元素之间要有适宜的浓度比例。 （3）具有适宜的pH范围。 二、教材相关知识 高中生物教材中与无土栽培相关的知识主要包括： （1）高二必修教材第一册中的植物代谢部分内容（植物的矿质营养、植物对水分的吸收和利用、光合作用和呼吸作用等）。 （2）高二必修教材第二册中的遗传和变异知识，如植物矿质元素吸收具有选择性的根本原因是什么？ （3）高三选修教材中的光合作用和生物固氮知识。 【典型例题分析】 【例】小麦品种是纯合体，生产上用种子繁殖，现要选育矮杆（aa）、抗病（BB）的小麦新品种；马铃薯品种是杂合体（有一对基因杂合即为杂合体），生产上通常用块茎繁殖。现要选育黄肉（Yy）、抗病（Rr）的马铃薯新品种。请分别设计小麦品种间杂交育种程序，以及马铃薯品种间杂交育种程序。要求用遗传图解表示并加以简要说明。（写出包括亲本在内的前三代即可） 解析：本题是2003高考全国卷（新课程卷）中的第26题，本题重在考查以遗传规律为主的相关知识，如基因的自由组合规律、作物育种的方法、生殖的种类等。从试题设计的角度，此题隐含的考查内容十分丰富，能够很好地考查学生的多种素质，如能力素质，包括理解问题的能力、分析问题的能力和解决问题的能力；学习素质，在准确理解问题后，运用简明的方法科学表达自己观点的素质等。该试题的开放性较高，这种开放性主要体现在题干所提供信息的开放性和解答过程的开放性，这就要求学生能够在开放性的素材中通过认真审题，找出严格的限制条件；在开放性的解答过程中把握严谨的规范和准确的逻辑内涵。本题学生在解答时易出现以下错误： ①不能准确地绘制遗传图解。 ②混淆了杂交育种与单倍体育种，导致部分考生在选育小麦时运用了单倍体育种的方法。 ④在做题时没有考虑到利用种子繁殖和利用块茎进行繁殖对后代的影响。 答案： 小麦 第一代 AABB × aabb 亲本杂交 ↓ 第二代 F1 AaBb 种植F1代自交 ↓自交 第三代 F2 A＿B＿，A＿bb，aaB＿，aabb 种植F2代，选矮杆、抗病（aaB_），继续自交，期望下代获得纯合体 （注：①A＿B＿，A＿bb，aaB＿，aabb表示F2出现的九种基因型和四种表现型。 ②学生写出F2的九种基因型和四种表现型均给满分） 马铃薯 第一代 yyRr × Yyrr 亲本杂交 ↓ 第二代 YyRr，yyRr，Yyrr，yyrr 种植，选黄肉、抗病（YyRr）
第三代 YyRr 用块茎繁殖 |
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③选F2中矮秆抗锈病小麦自交得F3；
