第四章 生物的变异
第1节 生物变异的来源
板 书
教学过程
生物的变异
变异：不遗传变异、可遗传变异
基因突变、基因重组、染色体变异
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一、基因突变和基因重组：
1．基因突变： （1）概念：由于DNA分子中发生碱基对的增添、缺失或改变而引起的基因结构的改变。
（2）特点：
①普遍性 自然突变、诱发突变
②随机性
③突变率低
④多数有害
⑤不定向性
引言：在前面我们学习了生物的遗传，了解了性状为什么遗传以及性状遗传时遵循的规律特点。那么性状是由什么决定的呢？（答：由遗传物质决定的。）性状表现除与遗传物质有关外，还与什么有关？（答：与外界条件有关）性状由亲代传递到子代时，会不会一成不变呢？当然不会，或多或少都会存在差异，这又为什么呢？（答：这是因为生物体不仅具有遗传还具有变异。）那么生物的变异又是如何产生的呢？又有什么特点呢？ （今天我们就来学习生物的变异） 讲述：让我们先来看一个图片（投影片）。上图是一个普通的玉米种子在萌发长成植株的过程中，水、肥、光特别充足，所结种子大而饱满，但这样的种子种下去，结出的却是普通种子；下图是太空椒（普通青椒种子邀游过太空后培育而成）与普通青椒对比，果实明显增大，种植下去，仍然是肥大果实。 提问：籽粒饱满的种子与普通种子相比，太空椒与普通青椒相比，形状有明显的差异，这是为什么？ （回答：发生了变异。） 提问：把子粒饱满的种子种下去，长出的种子是不是粒大饱满？ （回答：不是。） 提问：把肥大的青椒种下去，长出的是什么？ （回答：肥大青椒。） 提问：这又说明一个什么问题？ （回答：生物的变异有的不能遗传，有的可以遗传。） 讲述：可见生物的变异有这样两种类型。那什么情况下的变异不遗传，什么情况下的变异可遗传？我们知道生物的表现型与基因型和外界环境条件有关。像玉米这样，子粒饱满是由于水、肥和光充足引起，也就是外界环境条件引起的，这种变异是不遗传的。而太空椒邀游过太空，宇宙辐射改变了遗传物质，因此这个变异性状就是可遗传的。 可遗传的变异是生物变异的主要类型。它的来源主要有三方面：基因突变、基因重组和染色体变异。 那么，什么是基因突变？基因突变是怎么产生的？又怎么导致生物变异呢？下面一段录像是关于正常的红细胞基因突变形成镰刀型细胞贫血症的内容，我们先来看一下。 提问：从片子中我们看到正常红细胞是什么形状？有什么功能？ （回答：圆饼形状，运输氧气功能。） 提问：镰刀型细胞贫血症的红细胞呈镰刀状，对功能的完成有没有影响？ （回答：有，运氧气能力降低，易破裂溶血造成贫血，严重时会导致死亡。） 讲述：那么又是什么原因使正常红细胞变成镰刀型红细胞？分子生物学研究表明是基因突变的结果。让我们来看镰刀型细胞贫血症病因的图解。
大家知道，性状是由蛋白质来体现的，我们先来看正常血红蛋白与镰刀型血红蛋白的氨基酸的组成。 提问：两者有什么区别？ （回答：正常的是谷氨酸，异常的是缬氨酸） 提问：氨基酸是由什么决定的？ （回答：由信使RNA上的密码子决定的。） 提问：构成信使RNA上的密码子的那些碱基又是由什么决定的呢？ （回答：由DNA上的碱基决定的。） 提问：大家来比较一下正常与异常的DNA，它们的区别在哪里？ （回答：一个碱基对的改变。） 提问： DNA上一个碱基对发生了改变，最终导致了镰刀型细胞贫血症。我们知道性状是由基因控制的，基因是怎么来决定性状的？ （回答：基因是由脱氧核苷酸组成的，脱氧核苷酸的排列顺序代表了遗传信息，基因控制生物性状就是要把特定的遗传信息通过转录和翻译反映到具体的蛋自质结构上。） 讲述：我们看控制血红蛋白的DNA上一个碱基对改变，使得该基因脱氧核苷酸的排列顺序——发生了改变（教师引导学生回答），也就是基因结构改变了，最终控制血红蛋白的性状也会发生改变，所以红细胞就由圆饼状变为镰刀状了。基因结构改变除了碱基对的替换，还会不会有其它可能？ （学生练习：要求学生自己写一段。从DNA片段考虑。） 学生分析后答出DNA分子中碱基对数目的改变也会导致基因结构的改变。当DNA中碱基对增加或减少时，对性状的表现有没有影响。要求学生写出此过程。 现在大家来总结基因结构的改变包括哪些变化。（回答：DNA碱基对替换、增添和缺失。） 教师作总结：基因脱氧核苷酸顺序代表了遗传信息，顺序变了，遗传信息也变了，通过转录、翻译形成的蛋白质也就发生了改变，性状自然会发生改变。可见，基因结构改变会使生物发生变异。 现在请大家自己来总结出基因突变的概念。 （回答：略。） 讲述：基因突变是染色体的某一个位点上基因的改变，基因突变使一个基因变成它的等位基因，并且通常会引起一定的表现型变化。下面让我们来看几个基因突变的图片（投影片）。 玉米高茎→矮茎、普通羊→短腿羊、正常人→白化病 基因突变往往产生了一些新性状，这对生物有什么意义？ 由于基因突变产生的新性状是生物从未有过的性状，因此它是生物变异的根本来源，也为生物进化提供了最初的原材料。但生物的变异不只是由基因突变引起的，我们怎样去认识由于基因突变而引起的变异？下面我们就来了解基因突变的特点。 先来看几个图片（投影片）：（正常棉花→短果枝；水稻高杆→矮杆；果蝇长翅→残翅；家鸽羽毛白色→灰红色；人正常色觉→色盲；正常人→白化病） 这些图片，有植物，动物，还有人的例子，你们认为突变有什么特点？ （可让学生进行讨论，用具体实例来说出各特点。） （回答：植物、动物和人都可能发生基因突变。） 讲述：这也说明基因突变在生物界是普遍存在的。无论是低等生物，还是高等动植物以及人，都可以发生基因突变。这种突变在自然条件下发生的叫自然突变，在人为条件下诱发产生的叫诱发突变。 基因突变是发生在什么时期？哪些细胞能发生基因突变？其实基因突变可以发生在生物个体发育的任何时期和生物体的任何细胞。我们以植物个体发育过程为例（打出投影片），个体发育的起点是受精卵，经过分裂形成胚，种子萌发长成一个新个体，其间任何时期任何细胞都可能发生突变，大家特别注意看，叶芽和花芽部位突变以及引起突变性状的表现部位。 提问：基因突变发生的时期与突变性状的表现有什么关系？ （回答：突变发生的时期越早，表现突变的部分越多，突变发生的时期越晚，表现突变的部分越少。） 提问：如果突变发生在体细胞，该性状会不会遗传给后代？ （回答：不会，只有生殖细胞的突变才会遗传给后代） 讲述：既然任何生物发育的任何时期任何细胞都可能发生突变，那是不是突变很容易发生也会很多呢？请大家阅读书第49页下段的内容。 （通过一问一答的形式明确）基因突变率很低，高等生物中大约有十万个到一亿个生殖细胞中才会有一个生殖细胞发生基因突变，低等生物，细菌、噬菌体突变频率更低，同一种生物不同的基因突变率也不一样。 基囱突变对生物体究竟好不好呢？大家讨论一下。 （回答：有的不好。如白化病、色盲；有的好，如小麦矮杆能抗倒伏，微生物抗药性突变等） 教师总结：基因突变绝大多数是有害的，但也有少数有利，为什么呢？因为任何一种生物都是长期进化过程的产物，它们与环境已经取得了高度协调。如果发生基因突变就可能破坏这种协调关系。因此基因突变对于生物往往有害，但少数是有利的。 我们能不能只让它进行有利的突变呢？ 这不行。因为基因突变是不定向的。一个基因可以向不同的方向发生突变，产生一个以上的等位基因。例如（看投影片），控制小鼠毛色的灰色基因（A＋）可以突变成黄色基因（AY），也可以突变成黑色基因（a)。但是，每一个基因的突变，都不是没有任何限制的。例如，小鼠毛色基因的突变能不能突变成毛的长短呢？不能（回答），只限定在色素的范围内，不会超出这个范围。 （以上五点是基因突变的特点，在进行讨论时，教师要适时根据具体情况引导，正确了解基因突变的特点，就能正确地认识基因突变引起的变异） 小结：这节课我们主要掌握的内容有基因突变的概念和基因突变的特点。基因突变是由于DNA分子中发生碱基对的增添，缺失或改变而引起的基因结构改变。基因突变的特点有： ①普遍性、②随机性、③突变率低、④多数有害、⑤不定向性。[高考资源网]
第四节 生物的变异
（3）人工诱变在育种上的应用
①人工诱变的概念 方法：物理方法、化学方法
②优点
③我国的成果
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2.基因重组： （1）概念：控制不同性状的基因重新组合。
包括：基因自由组合、基因交换
（2）特点：非常丰富
第二课时
提问：上节课我们学习了基因突变的概念和特点。这是几幅基因突变的图片（投影片）（棉花短果枝、鸡脚叶、水稻矮杆、糯性，果蝇的白眼、残翅，人的白化病、色盲），为什么说它们的变异性状都是基因突变造成的？ （回答：这些性状是因为正常基因结构改变了，包括DNA碱基对增添、缺失或改变，使基因携带的遗传信息发生了改变，因此性状就发生了变异，这就是基因突变引起的变异。） 提问：从这些正常表现到突变表现，谁能回答基因突变具有哪些特点？ （回答：略。） 引言：这些基因突变如果是在自然条件下发生的叫——自然突变（回答），在人为条件下诱发产生的叫——诱发突变（回答）。那诱发突变的人为条件是什么？我们知道基因突变大多是有害的，为什么要人工诱发突变？这有什么用呢？今天我们接着来学习下面一个内容——人工诱变在育种上的应用。 讲述：什么是人工诱变？其实就是在人工条件下诱导基因发生突变，那人工条件是什么？同学看书后回答：有两种方法。物理方法包括X射线、紫外线、激光等；化学方法有亚硝酸、硫酸二乙酯等。 应用这些方法怎样去处理生物使之发生基因突变呢？产生的这些突变又有什么用呢？下面让我们看一段录像片，这是我国科学工作者用人工方法处理农作物发生基因突变的一段内容。 提问：看了录像片大家清楚了怎样用各种射线和化学物质去处理生物，也看到了生物突变的具体性状的表现了。你们说用这些方法诱导基因突变有什么好处？ （教师可作诱导回答：可提高突变率，创造人类需要的突变类型，从中选育出优良新品种。） 讲述：通过这种方法培育出的农作物新品种，刚才大家也看到了，具抗病力强、产量高、品质好等优点，黑龙江农科院用辐射方法处理大豆，培育成黑农五号大豆品种，含油量比原来的品种提高了2．5％，大豆产量提高了16％。大家看书第52页图，太空椒就是利用宇宙空间强烈辐射而发生基因突变培育的新品种。其实人工诱变不仅在农作物育种上起作用，在微生物育种上也发挥了重要作用，如青霉素，最初产量为20单位／mL，后经人们多次用射线等综合处理，目前产量已是50000～60 000单位／mL了，可见人工诱变对生物育种起着巨大作用。因此我们研究基因突变确实有很重要的应用价值。 其实生物变异不只是由基因突变引起的，基因重组也会造成生物变异。那么基因重组造成的生物变异又是在什么情况下发生的呢？又有什么特点呢？接下来我们就来学习基因重组。 什么是基因重组呢？基因重组是控制不同性状的基因重新组合。关于基因重组我们在前面学习自由组合定律和连锁交换定律时已经接触过这方面的知识。大家先写一下，黄色圆粒与绿色皱粒作亲本杂交，产生后代的过程。 P 黄色圆粒X绿色皱粒 ↓ F１ 黄色圆粒 ↓ F２ 黄色圆粒 黄色皱粒 绿色圆粒 绿色皱粒 提问：（打出此投影片，分析）F２除了黄色圆粒、绿色皱粒以外还有两种亲本所没有的新性状：黄色皱粒、绿色圆粒，这两种性状与亲本相比是不是变异性状？ （回答：是。） 提问：它们又是如何产生的呢？ （回答：在F１减数分裂形成配子时，控制不同性状的基因自由组合形成的。） 要求把这个过程的染色体图画出来。
提问：可见，基因重组可以发生在什么情况下？ （回答：减数分裂形成配子时非同源染色体上的非等位基因自由组合） 接下来我们再来写一个遗传图，亲本是灰身长翅和黑身残翅，其子一代雌性个体测交，写出测交后代的表现型（提示大家这两对等位基因位于一对同源染色体上）。 P 灰身长翅X黑身残翅 测交F１灰身长翅X黑身残翅 测交 后代：灰身长翅 黑身残翅 灰身残翅 黑身长翅 提问：（打出此投影片，分析）在测交后代我们看到了有两种类型是亲本没有的，灰身残翅和黑身长翅。这两种变异的性状又是如何产生的呢？ （回答：控制不同性状的基因重新组合。） 提问：是不是基因的自由组合？ （回答：不是，是基因交换的结果。） 要求学生把基因互换过程的染色体图写出来
（打出投影片分析）从图上我们看到这种基因重组是发生在减数分裂四分体时期，由于同源染色体的非姐妹染色单体之间常常发生局部互换，而造成控制不同性状的基因重新组合，（教师引导回答。） 以上是基因重组的两种类型，我们看到这两种类型的基因重组都是在有性生殖过程中实现的。在有性生殖过程中，由于父本和母本遗传物质基础不同，当两者杂交时，基因重新组合，就使子代产生了变异，这就是基因重组造成的变异。基因重组的变异又有什么特点？下面请大家阅读书上第50页下段的内容。 （回答：非常丰富。） 提问：为什么基因重组形成的变异丰富？ （回答：父本和母本遗传物质基础不同，自身杂合性越高，二者遗传物质基础相差越大，基因重组产生的差异可能性也就越大。）（学生回答时可由教师引导完成） 讲述：我们看书上给了一个数据，2１０＝1024种是说具有10对相对性状的亲本进行杂交时，只考虑自由组合引起的基因重组，F２可能出现的表现型。在生物体内尤其是在高等动植物体内控制性状的基因数目是非常巨大的，由同源染色体的非姐妹染色革体之间的局部交换引起的基因重组在自然界中也十分常见，如果把这些因素都考虑在内，那么生物通过有性生殖产生的变异就更多了。请大家举出基因重组的例子。（回答：略） 大家举出的例子有好多，要强调的是这些基因重组的变异必须通过有性生殖过程实现。丰富多彩的变异形成了生物多样性的重要原因之一。因此对生物进化具有十分重要的意义。 教师总结：本节内容我们用了二课时学习，要求掌握以下几个问题： 第一，变异的两种类型——不遗传变异和可遗传变异的来源。不遗传变异仅由外界条件引起，没有改变遗传物质，这种变异不能遗传。可遗传变异是遗传物质改变引起，它来源于基因突变、基因重组、染色体变异，是变异的主要类型。生物具有变异才可以进化。 第二，基因突变和基因重组，它们引起的变异有什么区别（可以让学生自己归纳）？ 1．基因突变是基因内部结构改变，它能产生新的基因。基因突变的过程发生在DNA复制时，特点是：①普遍性、②随机性、③突变率低、④多数有害、⑤不定向性。 2．基因重组是控制不同性状的基因重新组合，不产生新基因，可形成新的基因型。基因重组的过程发生在有性生殖过程中，特点是：非常丰富。 第三，了解人工诱变在育种上的应用。
二、染色体变异
（一）染色体结构的 变异
染色体上的基因的数目和排列顺序发生改变
（二）染色体数目变异
1．染色体组：一个生殖细胞内的全部染色体为一个染色体组。
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2．二倍体：体细胞中含有两个染色体的个体。
3．多倍体：体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体。
4．单倍体：体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体。
、
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第一课时
引言：前面学习了基因突变的知识，基因突变导致生物变异的原因是什么？ （回答：基因突变是基因结构发生改变，从而使遗传信息改变，进而使蛋白质结构改变、生物性状改变，即生物发生了变异。） 提问：基因是什么？它和染色体又有何关系？ （回答：略。） 讲述：染色体是DNA的主要载体，基因又是有遗传效应的DNA片段，染色体即为基因的主要载体。 对于一个生物体来说，正常情况下，其染色体的结构和数量都是稳定的，但在自然条件和人为因素的影响下，染色体的结构和数量均可发生改变，从而导致生物性状的改变，这就属于染色体变异。 示屏投影展示：猫叫综合征幼儿照片 讲述：这是一个猫叫综合征幼儿的照片。从像片上看，患儿两眼较近，耳位低下，存在着严重的智力障碍，因为病儿哭声轻、音调高，很像猫叫而得名。这种病的病因是什么？ 投影展示：染色体缺失图 讲述：这是由于病儿第5号染色体部分缺失引起，这属于染色体结构变异。下面几种情况也属染色体结构变异，请同学们注意观察，染色体是如何变化的？ 投影展示：①染色体缺失某一片段，②染色体增加某一片段，③染色体某一片段位置颠倒180０，④染色体的某一片段移接到另一条非同源染色体上。 （回答：略。） 提问：染色体结构变异，为何能导致生物性状的变异？ （回答：染色体结构的变化，会使染色体上的基因数目和排列顺序发生改变，从而导致生物变异的发生） 提问：染色体数目改变，会不会引起生物变异？ （回答：会。） 提问：染色体数目会如何改变呢？ （回答：可以增加，也可减少。） 讲述：同学们提到的，仅是染色体个别数目的增加或减少，它只是染色体数目变异的一种类型，例如，人类的一种遗传病叫21三体综合征，比正常人多一条染色体，表现为智力低下、身体发育缓慢等症状；再如，人类的另一种遗传病叫性腺发育不良，患者少了一条X染色体，外观表现为女性，但性腺发育不良，没有生育能力。另一种类型是染色体数目以染色体组为单位成倍增加或减少，这种类型的变异，在实践中应用更普遍，因此，重点介绍后一种类型的染色体数目变异。要讲清这个问题首先要了解什么是染色体组？ 出示：动物精子形成过程图。 提问：在减数分裂过程中，染色体是怎样变化的？ （回答：略。） 讲述：在减数分裂过程中，染色体复制一次细胞分裂二次，结果，生殖细胞中染色体数减少了一半。 提问：精原细胞和体细胞中染色体是成对存在还是单个存在？ （回答：成对。） 提问：精子中的染色体呢？ （回答：成单。） 提问：精子中染色体成单的原因？ （回答：同源染色体的分离。） 讲述：正因为同源染色体的分离，所以使得生殖细胞中所含染色体为大小、形状各不相同的非同源染色体。 出示：雄果蝇染色体的活动投影片。 讲述：再看果蝇的染色体图，果蝇细胞中，有几条染色体？ （回答：8条。） 提问：有几对同源染色体？ （回答：4对。） 提问：有多少对常染色体？有多少对性染色体？ （回答：3对常染色体，1对性染色体。） 讲述：若把形状、大小不同的归为一组，这8条染色体可分为几组？（抽拉投影片，使同源染色体分开，成为两组） 对雄果蝇来说，其中一组包括哪些染色体？ （回答： 略） 讲述：当雄果蝇进行减数分裂形成精干时，由于同源染色体的彼此分离，精子中含有每对同源染色体中的一条染色体。 （投影展示：果蝇精子染色体图）。因此，精子中共有几条染色体？ （回答：4条） 讲述：这4条染色体恰好是两组染色体中的一组，精子中这4条染色体，它们的大小和形状相同吗？ （回答：不相同） 讲述：这样一个生殖细胞内的全部染色体即为一个染色体组。 提问：染色体之间的关系如何？ （回答：是大小、形状各不相同的非同源染色体） 讲述：但这些染色体却包含了控制生物体生长发育，遗传和变异的全部信息。 投影展示：玉米体细胞图。 讲述：玉米体细胞中有20条染色体，它的生殖细胞内有10条大小、形状各不相同的染色体；这10条染色体组成了一个？ （回答：染色体组。） 提问：人的一个染色体组中染色体数是多少？ （回答： 23条。） 提问：人，果蝇，玉米体细胞中各含几个染色体组呢？ （回答：两个。） 讲述：人、果蝇、玉米都属于二倍体，那么什么是二倍体呢？ （回答：体细胞中含有两个染色体组的个体） 讲述：二倍体在自然界中较普遍，几乎全部的动物和过半数的高等植物均是二倍体。 若按以上推下去，体细胞中含三个染色体组的个体，该称为？ （回答：三倍体。） 讲述：香蕉、无籽西瓜是三倍体，若体细胞中含四个染色体组的个体，称为？ （回答：四倍体。） 提问：马铃薯是四倍体。我们把三倍体，四倍体也可称为多倍体，那么什么是多倍体呢？ （回答：体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体。） 讲述：多倍体在植物中广泛存在，在动物中较少见。多倍体是生物以染色体组为单位成倍地增加而致。 在生物的体细胞中，染色体数目不仅可以成倍增加，也可以成倍地减少，如蜜蜂中的工蜂和蜂王的体细胞中有32条染色体，而雄蜂是由卵细胞直接发育而成，因此，雄蜂体细胞中的染色体是蜂王和工蜂的？ （回答：一半。） 讲述：我们把体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体，称单倍体。 提问：玉米是二倍体，有20条染色体，由玉米卵细胞直接发育成的个体，该叫什么？ （回答：单倍体。） 提问：单倍体玉米中染色体数是多少？ （回答： 10条。） 提问：普通小麦是六倍体，体细胞中有六个染色体组，其配子中有几个染色体组？ （回答：三个。） 讲述：小麦中由配子发育而成的个体，也称为单倍体，那么，单倍体小麦体细胞中有几个染色体组？ （回答：三个。） 为什么不叫三倍体呢？ （回答：因为它同卵细胞中染色体数是相同。） 讲述：由配子发育成的小麦，体细胞中的染色体数同本物种配子中的染色体数相同，因此，只能叫单倍体而不能把它称为三倍体。可见，二倍体，多倍体和单倍体的划分依据是不同的，它们的划分依据是什么呢？ （回答：二倍体、多倍体是以含染色体组的数目来划分的；只要含有本物种体细胞染色体数一半的个体，就为单倍体。） 提问：单倍体同含染色体组的数目有没有关系？ （回答：没有。） 小结：今天，我们主要讲了染色体组、二倍体、多倍体及单倍体的概念，至于多倍体、单倍体在育种上有何作用，下节课介绍。
三、染色体倍数变化与育种
1.多倍体与育种
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2.单倍体与育种
第二课时
引言：上节课我们学习了染色体组、二倍体、多倍体、单倍体等重要内容，这些知识在实践中有何应用价值呢？这就是本节课要了解的内容。 投影展示提纲的第一部分：
学生据提纲阅读教材。 提问：多倍体的自然成因是什么？ （回答：略。） 提问：多倍体特点？ （回答：略。） 展示：二倍体草莓、多倍体草莓图片。 讲述：多倍体植物各器官较二倍体都大，果实中含营养物多，如四倍体水稻千粒重，是二倍体水稻的二倍，蛋白质含量提高5％～15％，可见，有较高的应用价值。下面以三倍体西瓜为例，看其育种过程。 教师据第55页图讲述并板书三倍体西瓜培育过程。 依提纲归纳多倍体知识，并投影第二部分。 提问：单倍体的自然成因是什么？ （回答：略。） 提问：单倍体的特点有哪些？ （回答：略。） 讲述：单倍体本身无利用价值，但是，在育种上却有特殊意义，因为它可以大大缩短育种年限，那么原因是什么？ （回答：用花药离体培养获得单倍体。经过秋水仙素处理，染色体不仅可以恢复到正常水平，而且可获得纯合体。） 提问：为什么花药的离体培养可获得单倍体？ （回答：略。） 据提纲归纳单倍体知识，并投影第三部分。 小结：师生共同归纳染色体变异。 练习： 1．用四倍体西瓜（4N）做父本，二倍体（2N）做母本进行杂交，那么胚细胞中染色体组数为 ，种皮中染色体组数为 ，果皮中染色体组数为 。 2．运用现代遗传理论和技术，人类己能够大面积的改良生物性状，你能说出致使生物体细胞中染色体数目加倍，培育多倍体的其它方法吗？采取相应方法的原则是什么？ （可以让学生先回答第二问，1．不致死，2．影响正常的有丝分裂，使染色体加倍。 第一问可由教师引导：温度剧变、射线处理、药物处理）
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