引言：易發(fā)表網(wǎng)憑借豐富的文秘實(shí)踐，為您精心挑選了一篇雜交水稻培育的科研資料專題教學(xué)設(shè)計(jì)范例。如需獲取更多原創(chuàng)內(nèi)容，可隨時(shí)聯(lián)系我們的客服老師。

1教材分析及設(shè)計(jì)思路

本單元教學(xué)內(nèi)容“遺傳與進(jìn)化”是高中生物學(xué)必修課程模塊2相關(guān)內(nèi)容的復(fù)習(xí)課，本模塊不僅是教學(xué)的重難點(diǎn)，也是高考的重點(diǎn)，包括遺傳的基本規(guī)律、遺傳的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)、遺傳的分子基礎(chǔ)、生物的變異和生物的進(jìn)化等內(nèi)容。本文以雜交水稻培育的科研過(guò)程為材料，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，開展“遺傳”相關(guān)內(nèi)容的專題復(fù)習(xí)。本單元設(shè)計(jì)的主題以學(xué)科內(nèi)容為基礎(chǔ)，融入袁隆平等科研工作者開展雜交水稻培育的社會(huì)議題。從袁隆平的核質(zhì)互作雄性不育的三系雜交水稻的培育，到光溫敏雄性不育的兩系雜交水稻、利用基因工程培育的雜交水稻，再到雜交水稻的無(wú)融合生殖，以科學(xué)家在雜交水稻培育過(guò)程為主線，以真實(shí)的科學(xué)研究為情境，幫助學(xué)生理解遺傳規(guī)律、基因與性狀的關(guān)系、減數(shù)分裂、基因工程等基礎(chǔ)知識(shí)，理解遺傳學(xué)研究的一般方法，讓學(xué)生從科學(xué)研究的角度設(shè)計(jì)雜交方案、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)劣等問(wèn)題，還幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)所學(xué)知識(shí)的價(jià)值，認(rèn)識(shí)到可以將知識(shí)轉(zhuǎn)化為科學(xué)生產(chǎn)力，既能提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，又能做到省時(shí)、省力、經(jīng)濟(jì)的目的。本單元的教學(xué)整體設(shè)計(jì)思路以科學(xué)研究中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，再發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、再解決問(wèn)題的研究思路作為教學(xué)的主線(圖1)，能夠體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用、學(xué)科思想與方法深化。

2教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo):(1)通過(guò)分析突變性狀的顯隱性關(guān)系、基因型、突變性狀由幾對(duì)基因控制、相關(guān)基因的位置、不同突變基因的位置關(guān)系等，鞏固遺傳學(xué)的基本概念和遺傳的基本規(guī)律。(2)利用科學(xué)研究的二手資料，通過(guò)對(duì)科研工作者研究的內(nèi)容和方法進(jìn)行分析、討論，訓(xùn)練歸納與概括、演繹與推理等科學(xué)思維。(3)能利用核質(zhì)互作雄性不育系、光溫敏雄性不育系和基因工程技術(shù)，提出可行的雜交育種方案，預(yù)期可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)一步提出研究的問(wèn)題或研究的方向。(4)能在分析雜交水稻的育種方案時(shí)，運(yùn)用相關(guān)的遺傳學(xué)概念和原理，全面地闡明個(gè)人的觀點(diǎn)和立場(chǎng)，同時(shí)認(rèn)同合理地利用科學(xué)技術(shù)可為人類服務(wù)，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任。

3教學(xué)過(guò)程

3.1第一代雜交水稻———利用核質(zhì)互作雄性不育系培育雜交水稻教師從介紹雜種優(yōu)勢(shì)開始引入本單元:雜種優(yōu)勢(shì)是雜合子在一種或多種性狀上優(yōu)于兩個(gè)親本的現(xiàn)象。例如，不同品系、不同品種、甚至不同種屬間進(jìn)行雜交所得到的雜種一代往往比它的雙親表現(xiàn)出更強(qiáng)大的生長(zhǎng)速率和代謝功能，從而導(dǎo)致器官發(fā)達(dá)、體型增大、產(chǎn)量提高。然后，引導(dǎo)學(xué)生逐次思考問(wèn)題:①要表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢(shì)需要進(jìn)行雜交，如何進(jìn)行操作呢?②以水稻為例，對(duì)每朵花都要進(jìn)行人工去雄，非常麻煩，如何解決這個(gè)問(wèn)題呢?③1970年秋天，袁隆平和他的助手們?cè)谝粔K沼澤地里，發(fā)現(xiàn)了一株花粉敗育的野生稻，利用它們與栽培稻雜交，最終雜交稻培育成功。生物性狀是由基因控制的，控制此雄性不育的基因可能存在哪?④研究表明，小麥、水稻和玉米等作物，它們的雄蕊是否可育是由細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中的基因共同決定的。寫出有關(guān)水稻育性可能的基因組成。⑤大田中使用的雜交種應(yīng)當(dāng)是雄性可育的，用什么品種與雄性不育系雜交才能產(chǎn)生雄性可育的雜交種呢?如何解決雄性不育系的自身留種問(wèn)題，即用什么品種作父本，才能使后代保持雄性不育的特點(diǎn)?⑥利用雄性不育系［S(rr)雄蕊敗育，不能產(chǎn)生可育的花粉，不能通過(guò)自交繁殖后代］、恢復(fù)系［N(ＲＲ)與不育系雜交后可使子代恢復(fù)雄性可育特征］、保持系［N(rr)作為父本與不育系雜交時(shí)，能使F1保持雄性不育性的特性］開展的三系法雜交水稻于1964年開始研究，1973年配套成功，1976年開始大面積推廣，最高年推廣面積在1333萬(wàn)hm2以上，對(duì)于提高我國(guó)水稻的畝產(chǎn)量有重要意義。但現(xiàn)在來(lái)看，你認(rèn)為三系雜交水稻有什么不足?設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)核質(zhì)互作雄性不育為材料進(jìn)行分析，使學(xué)生進(jìn)一步鞏固細(xì)胞質(zhì)遺傳的特點(diǎn)———母系遺傳。在學(xué)生已有的知識(shí)，即“受精作用后合子核基因一半來(lái)自父方一半來(lái)自母方，而細(xì)胞質(zhì)基因全部來(lái)自母方”的基礎(chǔ)上，分析如何利用雄性不育植株培育獲得雜交種，以及不育系自身留種問(wèn)題，來(lái)鞏固學(xué)生對(duì)遺傳規(guī)律的理解與運(yùn)用。分析三系雜交水稻的不足之處，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到發(fā)現(xiàn)問(wèn)題才能不斷推動(dòng)科技的發(fā)展，并引出新內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

3.2第二代雜交水稻———利用光溫敏雄性不育系培育雜交水稻教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)三系雜交水稻培育的不足進(jìn)行分析，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到還需要找到新的雄性不育的突變體。此后，再提供資料:1973年，由石明松先生在湖北仙桃發(fā)現(xiàn)光敏感雄性核不育水稻農(nóng)墾58S。這種不育性隨日照的長(zhǎng)短而發(fā)生變化。用碘碘化鉀(IKI)染色，染成藍(lán)色代表花粉可育，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2，由結(jié)果可知短日低溫時(shí)表現(xiàn)為可育，長(zhǎng)日高溫表現(xiàn)為不育。通過(guò)農(nóng)墾58S突變體的發(fā)現(xiàn)，教師設(shè)計(jì)一系列問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生分析，一個(gè)新性狀出現(xiàn)后如何借助遺傳學(xué)研究的基本思路和方法，包括顯隱性關(guān)系、幾對(duì)基因控制、相應(yīng)基因的位置等，設(shè)計(jì)雜交育種的可行方案，彌補(bǔ)上述三系雜交水稻的不足。問(wèn)題串設(shè)計(jì)如下:①如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定農(nóng)墾58S突變性狀是顯性性狀還是隱性性狀?該性狀是由幾對(duì)基因控制的?②科研人員將農(nóng)墾58S與野生型雜交，獲得F1，讓F1自交，得F2共173株，統(tǒng)計(jì)其在長(zhǎng)日條件下育性分布，如圖3。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果能得出什么結(jié)論?③分子標(biāo)記(SSＲ)是DNA中的簡(jiǎn)單重復(fù)序列，非同源染色體上的SSＲ重復(fù)單位不同(如CA重復(fù)或GT重復(fù))，不同品種的同源染色體上的SSＲ重復(fù)次數(shù)不同(如CACACA或CACACACA)，因此常用于染色體特異性標(biāo)記。研究者提取親本和F2中單株的葉肉細(xì)胞DNA，利用染色體上特異的SSＲ進(jìn)行PCＲ擴(kuò)增，分析比較。Ｒ2708是12號(hào)染色體的一種分子標(biāo)記，親本農(nóng)墾58S的分子標(biāo)記為a，野生型的分子標(biāo)記為b，表1為F2群體中Ｒ2708標(biāo)記基因型與育性的關(guān)系［2］:由表中數(shù)據(jù)可知農(nóng)墾58S的突變基因與Ｒ2708分子標(biāo)記的關(guān)系是什么?④隨后科研人員發(fā)現(xiàn)多種光溫敏感雄性不育水稻。其中溫敏核不育系W6154S，其性狀也是由一對(duì)隱性基因控制的，控制此不育性狀的基因與農(nóng)墾58S的不育基因在染色體上的位置關(guān)系是怎樣的，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明?請(qǐng)學(xué)生寫出方案和預(yù)期結(jié)果。⑤再引導(dǎo)學(xué)生分析農(nóng)墾58S的育性是可以轉(zhuǎn)換的，在長(zhǎng)日高溫條件下不育，在短日低溫條件下育性最高，這說(shuō)明什么?如果你是科研工作者，你利用農(nóng)墾58S設(shè)計(jì)一個(gè)育種方案，培育水稻雜交種并保存光敏雄性不育農(nóng)墾58S。設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)農(nóng)墾58S突變體的發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生了解一個(gè)新突變性狀出現(xiàn)后如何進(jìn)行遺傳學(xué)研究的基本思路和方法，包括顯隱性關(guān)系、幾對(duì)基因控制、相應(yīng)基因的位置等。通過(guò)利用光溫敏雄性不育系培育獲得雜交水稻的育種方案的討論，鞏固學(xué)生對(duì)遺傳規(guī)律的理解與運(yùn)用，以及性狀、基因與環(huán)境的關(guān)系。

3.3第三代雜交水稻———利用現(xiàn)代生物技術(shù)培育雜交水稻教師提供資料:基因工程是現(xiàn)代生物學(xué)研究中重要的技術(shù)方法，在很大程度上推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但是轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品安全性也引發(fā)了社會(huì)的關(guān)注和爭(zhēng)論。介紹Plantgeneticsystem公司提出的一項(xiàng)專利，將育性基因F、花粉致死基因P、紅色熒光基因Ｒ緊密連鎖的三個(gè)基因?qū)肫胀ㄐ坌圆挥仓甑募?xì)胞，獲得了轉(zhuǎn)基因水稻［3］。此后，提出問(wèn)題:如何利用這株轉(zhuǎn)基因水稻篩選獲得用于雜交制種的材料?如何篩選獲得用于不育系繁殖的材料?這項(xiàng)專利是如何解決轉(zhuǎn)基因安全性問(wèn)題的?設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生通過(guò)問(wèn)題的分析認(rèn)識(shí)到技術(shù)是把雙刃劍，只要利用好了既能獲得雄性不育系，又能解決轉(zhuǎn)基因安全性問(wèn)題。

3.4歸納提升，發(fā)展延伸：最終，教師組織學(xué)生完成兩個(gè)單元活動(dòng)。活動(dòng)1:要求學(xué)生對(duì)上述三代雜交水稻培育方法進(jìn)行比較總結(jié)，并填寫表2。活動(dòng)2:引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注利用基因編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)融合生殖水稻。首先，教師借問(wèn)題“甘蔗、甘薯、馬鈴薯等可利用無(wú)性生殖的方式繁殖后代，無(wú)性生殖的特點(diǎn)是什么?”引導(dǎo)學(xué)生回答出:玉米等作物中偶爾也會(huì)出現(xiàn)不經(jīng)過(guò)雌、雄生殖細(xì)胞融合，直接由營(yíng)養(yǎng)體細(xì)胞或未進(jìn)行減數(shù)分裂的大孢子母細(xì)胞發(fā)育成的無(wú)性胚或無(wú)性種子的無(wú)融合生殖的特點(diǎn)。此后，讓學(xué)生思考:無(wú)融合生殖在雜交水稻培育中有什么價(jià)值?并要求學(xué)生課后閱讀學(xué)科前沿資料:2019年中國(guó)農(nóng)科院王克劍團(tuán)隊(duì)利用基因編輯技術(shù)敲除了水稻的四個(gè)基因，實(shí)現(xiàn)無(wú)融合生殖。設(shè)計(jì)意圖:活動(dòng)1可強(qiáng)化學(xué)生對(duì)整個(gè)單元所學(xué)內(nèi)容的理解;而活動(dòng)2通過(guò)對(duì)水稻這種有性生殖的生物進(jìn)行基因編輯實(shí)現(xiàn)無(wú)融合生殖的相關(guān)問(wèn)題分析，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到生物性狀主要是由基因控制的同時(shí)，可更好地理解有絲分裂和減數(shù)分裂的區(qū)別與聯(lián)系，并關(guān)注學(xué)科發(fā)展的持續(xù)性。

4教學(xué)反思

教學(xué)中創(chuàng)設(shè)合適的問(wèn)題情境，使學(xué)生積極參與教學(xué)活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的靈感。基于生活和科研真實(shí)的情境下的問(wèn)題是復(fù)雜的、多樣的，能更準(zhǔn)確地反映學(xué)生對(duì)知識(shí)的領(lǐng)悟和理解，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。在相關(guān)問(wèn)題的分析討論中，需要給學(xué)生留有足夠的思考時(shí)間，并讓學(xué)生積極表達(dá)自己的想法，方能收到更好的教學(xué)效果。

主要參考文獻(xiàn)

［1］吳亞先．水稻光敏核不育系農(nóng)墾58S不育基因的分子遺傳規(guī)律研究［D］．長(zhǎng)沙:湖南師范大學(xué)，2014．

［2］梅明華，陳亮，章志宏，等．農(nóng)墾58S光敏不育基因突變位點(diǎn)的確定及pms3區(qū)間的進(jìn)一步作圖［J］．中國(guó)科學(xué)(C輯)，1999，29(3):310315．

［3］雷永群，宋書鋒，李新奇．水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用技術(shù)的發(fā)展［J］．雜交水稻，2017，32(3):14．

作者:張姝玉 單位:北京市第一七一中學(xué)