杂交水稻培育的科研资料专题教学设计

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1教材分析及设计思路

本单元教学内容“遗传与进化”是高中生物学必修课程模块2相关内容的复习课，本模块不仅是教学的重难点，也是高考的重点，包括遗传的基本规律、遗传的细胞学基础、遗传的分子基础、生物的变异和生物的进化等内容。本文以杂交水稻培育的科研过程为材料，创设问题情境，开展“遗传”相关内容的专题复习。本单元设计的主题以学科内容为基础，融入袁隆平等科研工作者开展杂交水稻培育的社会议题。从袁隆平的核质互作雄性不育的三系杂交水稻的培育，到光温敏雄性不育的两系杂交水稻、利用基因工程培育的杂交水稻，再到杂交水稻的无融合生殖，以科学家在杂交水稻培育过程为主线，以真实的科学研究为情境，帮助学生理解遗传规律、基因与性状的关系、减数分裂、基因工程等基础知识，理解遗传学研究的一般方法，让学生从科学研究的角度设计杂交方案、分析实验结果、评价实验方案的优劣等问题，还帮助学生认识所学知识的价值，认识到可以将知识转化为科学生产力，既能提高产品的产量和质量，又能做到省时、省力、经济的目的。本单元的教学整体设计思路以科学研究中不断发现问题、解决问题，再发现问题、再解决问题的研究思路作为教学的主线(图1)，能够体现学科知识发展及实际应用、学科思想与方法深化。

2教学目标

基于课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标:(1)通过分析突变性状的显隐性关系、基因型、突变性状由几对基因控制、相关基因的位置、不同突变基因的位置关系等，巩固遗传学的基本概念和遗传的基本规律。(2)利用科学研究的二手资料，通过对科研工作者研究的内容和方法进行分析、讨论，训练归纳与概括、演绎与推理等科学思维。(3)能利用核质互作雄性不育系、光温敏雄性不育系和基因工程技术，提出可行的杂交育种方案，预期可能的实验结果，评价实验方案，并进一步提出研究的问题或研究的方向。(4)能在分析杂交水稻的育种方案时，运用相关的遗传学概念和原理，全面地阐明个人的观点和立场，同时认同合理地利用科学技术可为人类服务，培养社会责任。

3教学过程

3.1第一代杂交水稻———利用核质互作雄性不育系培育杂交水稻教师从介绍杂种优势开始引入本单元:杂种优势是杂合子在一种或多种性状上优于两个亲本的现象。例如，不同品系、不同品种、甚至不同种属间进行杂交所得到的杂种一代往往比它的双亲表现出更强大的生长速率和代谢功能，从而导致器官发达、体型增大、产量提高。然后，引导学生逐次思考问题:①要表现出杂种优势需要进行杂交，如何进行操作呢?②以水稻为例，对每朵花都要进行人工去雄，非常麻烦，如何解决这个问题呢?③1970年秋天，袁隆平和他的助手们在一块沼泽地里，发现了一株花粉败育的野生稻，利用它们与栽培稻杂交，最终杂交稻培育成功。生物性状是由基因控制的，控制此雄性不育的基因可能存在哪?④研究表明，小麦、水稻和玉米等作物，它们的雄蕊是否可育是由细胞核和细胞质中的基因共同决定的。写出有关水稻育性可能的基因组成。⑤大田中使用的杂交种应当是雄性可育的，用什么品种与雄性不育系杂交才能产生雄性可育的杂交种呢?如何解决雄性不育系的自身留种问题，即用什么品种作父本，才能使后代保持雄性不育的特点?⑥利用雄性不育系［S(rr)雄蕊败育，不能产生可育的花粉，不能通过自交繁殖后代］、恢复系［N(ＲＲ)与不育系杂交后可使子代恢复雄性可育特征］、保持系［N(rr)作为父本与不育系杂交时，能使F1保持雄性不育性的特性］开展的三系法杂交水稻于1964年开始研究，1973年配套成功，1976年开始大面积推广，最高年推广面积在1333万hm2以上，对于提高我国水稻的亩产量有重要意义。但现在来看，你认为三系杂交水稻有什么不足?设计意图:通过核质互作雄性不育为材料进行分析，使学生进一步巩固细胞质遗传的特点———母系遗传。在学生已有的知识，即“受精作用后合子核基因一半来自父方一半来自母方，而细胞质基因全部来自母方”的基础上，分析如何利用雄性不育植株培育获得杂交种，以及不育系自身留种问题，来巩固学生对遗传规律的理解与运用。分析三系杂交水稻的不足之处，使学生认识到发现问题才能不断推动科技的发展，并引出新内容的学习。

3.2第二代杂交水稻———利用光温敏雄性不育系培育杂交水稻教师引导学生通过对三系杂交水稻培育的不足进行分析，让学生认识到还需要找到新的雄性不育的突变体。此后，再提供资料:1973年，由石明松先生在湖北仙桃发现光敏感雄性核不育水稻农垦58S。这种不育性随日照的长短而发生变化。用碘碘化钾(IKI)染色，染成蓝色代表花粉可育，实验结果如图2，由结果可知短日低温时表现为可育，长日高温表现为不育。通过农垦58S突变体的发现，教师设计一系列问题串引导学生分析，一个新性状出现后如何借助遗传学研究的基本思路和方法，包括显隐性关系、几对基因控制、相应基因的位置等，设计杂交育种的可行方案，弥补上述三系杂交水稻的不足。问题串设计如下:①如何设计实验来确定农垦58S突变性状是显性性状还是隐性性状?该性状是由几对基因控制的?②科研人员将农垦58S与野生型杂交，获得F1，让F1自交，得F2共173株，统计其在长日条件下育性分布，如图3。根据实验结果能得出什么结论?③分子标记(SSＲ)是DNA中的简单重复序列，非同源染色体上的SSＲ重复单位不同(如CA重复或GT重复)，不同品种的同源染色体上的SSＲ重复次数不同(如CACACA或CACACACA)，因此常用于染色体特异性标记。研究者提取亲本和F2中单株的叶肉细胞DNA，利用染色体上特异的SSＲ进行PCＲ扩增，分析比较。Ｒ2708是12号染色体的一种分子标记，亲本农垦58S的分子标记为a，野生型的分子标记为b，表1为F2群体中Ｒ2708标记基因型与育性的关系［2］:由表中数据可知农垦58S的突变基因与Ｒ2708分子标记的关系是什么?④随后科研人员发现多种光温敏感雄性不育水稻。其中温敏核不育系W6154S，其性状也是由一对隐性基因控制的，控制此不育性状的基因与农垦58S的不育基因在染色体上的位置关系是怎样的，如何设计实验证明?请学生写出方案和预期结果。⑤再引导学生分析农垦58S的育性是可以转换的，在长日高温条件下不育，在短日低温条件下育性最高，这说明什么?如果你是科研工作者，你利用农垦58S设计一个育种方案，培育水稻杂交种并保存光敏雄性不育农垦58S。设计意图:通过农垦58S突变体的发现，让学生了解一个新突变性状出现后如何进行遗传学研究的基本思路和方法，包括显隐性关系、几对基因控制、相应基因的位置等。通过利用光温敏雄性不育系培育获得杂交水稻的育种方案的讨论，巩固学生对遗传规律的理解与运用，以及性状、基因与环境的关系。

3.3第三代杂交水稻———利用现代生物技术培育杂交水稻教师提供资料:基因工程是现代生物学研究中重要的技术方法，在很大程度上推动农业生产，但是转基因产品安全性也引发了社会的关注和争论。介绍Plantgeneticsystem公司提出的一项专利，将育性基因F、花粉致死基因P、红色荧光基因Ｒ紧密连锁的三个基因导入普通雄性不育植株的细胞，获得了转基因水稻［3］。此后，提出问题:如何利用这株转基因水稻筛选获得用于杂交制种的材料?如何筛选获得用于不育系繁殖的材料?这项专利是如何解决转基因安全性问题的?设计意图:学生通过问题的分析认识到技术是把双刃剑，只要利用好了既能获得雄性不育系，又能解决转基因安全性问题。

3.4归纳提升，发展延伸：最终，教师组织学生完成两个单元活动。活动1:要求学生对上述三代杂交水稻培育方法进行比较总结，并填写表2。活动2:引导学生关注利用基因编辑技术实现无融合生殖水稻。首先，教师借问题“甘蔗、甘薯、马铃薯等可利用无性生殖的方式繁殖后代，无性生殖的特点是什么?”引导学生回答出:玉米等作物中偶尔也会出现不经过雌、雄生殖细胞融合，直接由营养体细胞或未进行减数分裂的大孢子母细胞发育成的无性胚或无性种子的无融合生殖的特点。此后，让学生思考:无融合生殖在杂交水稻培育中有什么价值?并要求学生课后阅读学科前沿资料:2019年中国农科院王克剑团队利用基因编辑技术敲除了水稻的四个基因，实现无融合生殖。设计意图:活动1可强化学生对整个单元所学内容的理解;而活动2通过对水稻这种有性生殖的生物进行基因编辑实现无融合生殖的相关问题分析，让学生认识到生物性状主要是由基因控制的同时，可更好地理解有丝分裂和减数分裂的区别与联系，并关注学科发展的持续性。

4教学反思

教学中创设合适的问题情境，使学生积极参与教学活动，激发学生的灵感。基于生活和科研真实的情境下的问题是复杂的、多样的，能更准确地反映学生对知识的领悟和理解，培养和发展学生的科学思维和科学探究能力。在相关问题的分析讨论中，需要给学生留有足够的思考时间，并让学生积极表达自己的想法，方能收到更好的教学效果。

主要参考文献

［1］吴亚先．水稻光敏核不育系农垦58S不育基因的分子遗传规律研究［D］．长沙:湖南师范大学，2014．

［2］梅明华，陈亮，章志宏，等．农垦58S光敏不育基因突变位点的确定及pms3区间的进一步作图［J］．中国科学(C辑)，1999，29(3):310315．

［3］雷永群，宋书锋，李新奇．水稻杂种优势利用技术的发展［J］．杂交水稻，2017，32(3):14．

作者:张姝玉 单位:北京市第一七一中学