雄性不育、三系法雜交水稻【典題引領】(2023·海南卷)某作物的雄性育性與細胞質基因(P、H)和細胞核基因(D、d)相關?，F有該作物的4個純合品種：①(P)dd(雄性不育)、②(H)dd(雄性可育)、③(H)DD(雄性可育)、④(P)DD(雄性可育)，科研人員利用上述品種進行雜交實驗，成功獲得生產上可利用的雜交種。下列有關敘述錯誤的是(D)A．①和②雜交，產生的后代雄性不育B．②③④自交后代均為雄性可育，且基因型不變C．①和③雜交獲得生產上可利用的雜交種，其自交后代出現性狀分離，故需年年制種D．①和③雜交后代作父本，②和③雜交后代作母本，二者雜交后代雄性可育和不育的比例為3∶1解析：①(P)dd(雄性不育)作為母本和②(H)dd(雄性可育)作為父本雜交，產生的后代的基因型均為(P)dd，表現為雄性不育，A正確；②③④自交后代均為雄性可育，且基因型不變，即表現為穩(wěn)定遺傳，B正確；①(P)dd(雄性不育)作為母本和③(H)DD(雄性可育)作為父本雜交，產生的后代的基因型為(P)Dd，為雜交種，自交后代會表現出性狀分離，因而需要年年制種，C正確；①和③雜交后代的基因型為(P)Dd，②和③雜交后代的基因型為(H)Dd，若前者作父本，后者作母本，則二者雜交的后代為(H)__，均為雄性可育，不會出現雄性不育，D錯誤。1.雄性不育(1)概念：雄性不育是指花藥或花粉不能正常發(fā)育的現象。一旦形成，是可遺傳的。(2)特點：雄性不育的植株，雌蕊能正常發(fā)育。(3)類型：①細胞核雄性不育：核基因控制的雄性不育，有顯性核不育和隱性核不育，遺傳方式符合孟德爾遺傳規(guī)律。②細胞質雄性不育：表現為母體遺傳、花粉敗育和雌穗正常。可以被顯性核恢復基因恢復育性。根據敗育時期不同可分為：配子體不育、孢子體不育。③核質互作雄性不育：是由核基因和細胞質基因相互作用、共同控制的雄性不育類型。2.三系法雜交水稻制備原理：制備不育系、保持系和恢復系的過程，稱之為“三系法”(1)不育系，即指具有雄性不育特性的品種或品系。其遺傳基礎：S(rr)，只供作雜交的母本使用。(2)保持系，即指能夠保持雄性不育特性的品種或品系。保持系本身是雄性可育的，當它與不育系雜交，其后代仍能保持不育系的不育性。其遺傳基礎：N(rr)，只供作雜交的父本使用。(3)恢復系，即指能使雄性不育系的后代恢復其育性的品種或品系?；謴拖蹬c雄性不育系雜交，能獲得雄性可育的雜交種子，以供給大田生產之用。其遺傳基礎：N(RR)或S(RR)，只供作雜交的父本使用。情境練5(總分：50分)一、選擇題(每小題5分，共15分)1.(2025·湖南婁底模擬)我國“雜交水稻之父”袁隆平率先提出通過培育雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢復系的三系法途徑來培育雜交水稻。雄性不育是指植物不能產生花粉的現象，S為細胞質不育基因，N為細胞質可育基因，R為細胞核可育基因，r為細胞核不育基因，R對r完全顯性。基因型為S(rr)的個體表現為雄性不育，即只有在細胞質不育基因S和核基因r同時發(fā)揮作用時才能表現為雄性不育，其余均表現正常。下列有關敘述，錯誤的是(D)A．S(rr)×S(RR)，F1表現為雄性可育，說明S(RR)具有恢復雄性不育的能力，叫作雄性不育恢復系B．S(rr)×N(rr)，F1表現為雄性不育，說明N(rr)具有保持不育性穩(wěn)定傳遞的能力，叫作雄性不育保持系C．在S(Rr)自交后代中能選育出雄性不育系和雄性不育恢復系，不能選育出雄性不育保持系D．在N(Rr)自交后代中能選育出雄性不育系和雄性不育保持系，不能選育出雄性不育恢復系解析：S(rr)×S(RR)，F1表現為雄性可育，使不育的S(rr)的子代S(Rr)可育，說明S(RR)具有恢復雄性不育的能力，叫作雄性不育恢復系，A正確；S(rr)×N(rr)，F1表現為雄性不育，使不育的親本S(rr)的子代照樣保持不育特性，說明N(rr)具有保持不育性穩(wěn)定傳遞的能力，叫作雄性不育保持系，B正確；在S(Rr)自交后代中能選育出雄性不育系S(rr)和雄性不育恢復系S(RR)，不能選育出雄性不育保持系N(rr)，C正確；在N(Rr)自交后代中能選育出雄性不育恢復系N(RR)和雄性不育保持系N(rr)，但不能選育出雄性不育系S(rr)，D錯誤。2.(2025·四川綿陽模擬)下圖是水稻的三系雜交和兩系雜交示意圖。兩種育種過程都涉及“雄性不育”系。其中一種雄性不育由細胞核基因(a)和細胞質基因(S)共同控制，相應的雄性可育基因為A和N。另一種是光溫敏雄性不育，育性只受細胞核基因控制，且在環(huán)境溫度高于臨界溫度或長日照條件下表現為雄性不育。下列有關說法錯誤的是(B)A．三系雜交中水稻雄性不育的原因可能是基因S和a相互作用使植株不能正常產生花粉B．若基因型為S(Aa)的個體連續(xù)自交兩代，則F2中雄性不育個體所占的比例為3/8C．兩系雜交應當在低溫、短日照條件下自交繁育，在高溫、長日照條件下雜交制種D．光溫敏雄性不育系水稻遺傳行為更簡單，進行雜交育種更簡單，更易選育優(yōu)良雜交種解析：三系雜交中的水稻雄性不育由細胞核基因(a)和細胞質基因(S)共同控制，由此推測水稻雄性不育的原因可能是基因S和a相互作用使植株不能正常產生花粉，A正確；據題意和題圖可知，S(aa)是雄性不育系，雄性可育為N(A_)、N(aa)、S(A_)，若基因型為S(Aa)的個體自交，F1的基因型為S(AA)、S(Aa)、S(aa)，比例為1∶2∶1，其中只有S(aa)為雄性不育系，F1再自交，即1/3S(AA)、2/3S(Aa)自交，F2中雄性不育個體所占的比例為2/3×1/4＝1/6，B錯誤；光溫敏雄性不育系的育性只受細胞核基因控制，且在環(huán)境溫度高于臨界溫度或長日照條件下表現為雄性不育，因此兩系雜交應當在低溫、短日照條件下自交繁育，在高溫、長日照條件下雜交制種，C正確；據題圖和題意可知，光溫敏雄性不育系水稻的育性只受細胞核基因控制，在環(huán)境溫度高于臨界溫度或長日照條件下表現為雄性不育，在低溫且短日照條件下表現為雄性可育，說明光溫敏雄性不育系水稻遺傳行為更簡單，進行雜交育種更簡單，更易選育優(yōu)良雜交種，D正確。3.(2025·福建福州模擬)大麥是自花傳粉植物，雄性不育系在雜交育種中具有重要價值。為了構建能保持雄性不育的保持系，科研人員培育出一個三體新品種甲，其體細胞中增加了一條帶有易位片段的染色體，相應基因與染色體關系如圖，可育(M)對雄性不育(m)為顯性，種皮茶褐色(R)對黃色(r)為顯性。植株甲形成配子過程中，結構正常的染色體聯(lián)會后分別移向兩極，帶有易位片段的染色體隨機移向一極；含有異常染色體的花粉無法授粉，正常卵細胞∶含有異常染色體的卵細胞＝7∶3。下列敘述正確的是(D)A．植株甲產生的具有授粉能力的花粉基因型為MmRrB．植株甲自交子代中茶褐色種皮植株的基因型為MMmmRRrr、MmmRrrC．植株甲自交子代中黃色種皮∶茶褐色種皮＝3∶7D．植株甲自交子代中茶褐色種皮個體繼續(xù)自交可產生雄性不育系解析：帶有易位片段的染色體為異常染色體，基因型為MmRr的花粉由于含異常染色體不能授粉，A錯誤；植株甲自交子代的基因型為mmrr和MmmRrr，其中茶褐色種皮植株的基因型只有MmmRrr，B錯誤；由題意可知，M和R位于同一條染色體上，所以可育雌配子的比例為mr∶MmRr＝7∶3，故植株甲自交子代中黃色種皮∶茶褐色種皮＝7∶3，C錯誤；植株甲自交后代為mmrr(灰色不育)和MmmRrr(茶褐色雄性可育)，選擇MmmRrr(茶褐色雄性可育)個體繼續(xù)自交可產生雄性不育系(mmrr)，D正確。二、非選擇題(共35分)4.(17分)(2025·廣東廣州模擬)安農S-1是我國發(fā)現的第一個秈稻溫敏不育系突變體，其在溫度高于25℃時表現為花粉敗育。水稻可進行自花受粉，其雄性可育與TMS5基因和Ub基因有關。TMS5基因編碼核酸酶(RNaseZS1)用于切割Ub基因轉錄出的mRNA，避免產生過多的Ub蛋白。野生型的TMS5基因在第70、71位堿基對發(fā)生了替換，形成雄性不育突變體的tms5基因。圖1僅顯示基因中非模板鏈部分堿基序列。高溫誘導Ub基因過量表達，若Ub蛋白含量過多將導致花粉敗育，如圖2所示。請回答下列問題：(1)利用雄性不育突變體進行雜交水稻育種，該過程中不需要去雄。(2)將野生型與雄性不育突變體雜交，F1均為野生型，F1自交后代中野生型與雄性不育的性狀分離比為3∶1，說明雄性不育性狀由隱性基因控制。(3)結合圖1推斷RNaseZS1失活的原因：TMS5基因突變?yōu)閠ms5基因，第70、71位堿基對發(fā)生替換，導致mRNA提前出現終止密碼子(UAG)，使翻譯提前終止，進而使RNaseZS1空間結構發(fā)生改變，功能喪失。結合圖1、圖2，從分子水平說明安農S-1在高溫下花粉敗育的原因：在溫度高于25℃時，Ub基因過量表達，而突變體中無正常的RNaseZS1，不能水解UbmRNA，Ub蛋白在細胞內含量過多導致花粉敗育。(4)科研人員發(fā)現另一溫敏雄性不育隱性突變體甲，其在溫度高于25℃時也表現為花粉敗育，由隱性基因tms3控制。請設計實驗驗證tms3基因和tms5基因是非等位基因，寫出設計思路和預期結果。設計思路：在溫度低于25℃條件下，讓突變體甲和安農S-1雜交，在溫度高于25℃條件下檢測F1育性。預期結果：F1表現為雄性可育。(5)若tms3基因與tms5基因分別位于兩對同源染色體上。在溫度低于25℃條件下，讓兩種純合突變體雜交得F1，F1自交得F2，在溫度高于25℃條件下，F2育性的表型及比例為野生型(雄性可育)∶雄性不育＝9∶7，其中雄性可育個體的基因型有4種。解析：(1)利用雄性不育突變體進行雜交水稻育種的過程中不需要去雄，因為雄性不育突變體不能產生正常的雄配子。(2)將野生型與雄性不育突變體雜交，F1均為野生型，說明野生型(雄性可育)對雄性不育為顯性，F1自交后代中野生型與雄性不育的性狀分離比為3∶1，說明雄性不育性狀由隱性基因控制。(3)分析圖1和圖2可知，TMS5基因突變?yōu)閠ms5基因后，mRNA提前出現終止密碼子(UAG)，使翻譯提前終止，進而使RNaseZS1空間結構發(fā)生改變，功能喪失。在溫度高于25℃時，Ub基因過量表達，突變體轉錄出的mRNA未被分解，Ub蛋白在細胞內含量過多導致花粉敗育。(4)實驗目的是驗證tms3基因和tms5基因是非等位基因，結合題干信息“科研人員發(fā)現另一溫敏雄性不育隱性突變體甲，其在溫度高于25℃時也表現為花粉敗育，由隱性基因tms3控制”可設計實驗思路：在溫度低于25℃條件下，讓突變體甲和安農S-1雜交，在溫度高于25℃條件下檢測F1育性，預期結果：F1表現為雄性可育。(5)在溫度低于25℃條件下，讓兩種純合突變體雜交，F1的基因型為TMS3tms3TMS5tms5(雙雜合子)，F1自交獲得F2，在溫度高于25℃條件下，tms3基因和tms5基因純合個體表現為雄性不育，根據基因的自由組合定律可知，F2育性的表型及比例為野生型(雄性可育)∶雄性不育＝9∶7，其中雄性可育個體的基因型為TMS3_TMS5_，共有4種。5.(18分)(2025·浙江紹興模擬)水稻是我國重要的糧食作物，雜交種具有高產優(yōu)勢，但往往出現雜交后代花粉不育現象?？蒲腥藛T對水稻花粉不育的遺傳機理展開研究，發(fā)現粳稻和秈稻的雜交種花粉育性可能與12號染色體R區(qū)段的A、B、C、D等基因有關，已知這些基因與卵細胞的育性均無關，R區(qū)DNA片段上的基因如圖。為此，科學家對野生型秈稻進行單基因敲除，選育出基因敲除純合子甲、乙、丙(除敲除基因外，其他基因組成均與野生型秈稻相同)，但是始終無法篩選獲得D基因敲除純合個體。利用上述植株進行雜交實驗，結果如下表。回答下列問題：eq\a\vs4\al(注)粳稻12號染色體上無B、C、D的等位基因。雜交組合母本父本F1育性性狀1野生型秈稻野生型粳稻50%的花粉可育2A基因敲除的純合秈稻甲野生型粳稻50%的花粉可育3B基因敲除的純合秈稻乙野生型粳稻50%的花粉可育4C基因敲除的純合秈稻丙野生型粳稻100%的花粉可育(1)由表可知，C基因可導致花粉育性降低，判斷依據是由雜交組合1、2、3可知，含C基因的F150%花粉可育，雜交組合4不含C基因的F1100%的花粉可育。(2)進一步研究發(fā)現，組合1的F1單獨敲除D基因，其花粉均不育，C、D基因雙敲除花粉均可育。推測C基因編碼的蛋白C具有毒害作用，D基因編碼的蛋白D的作用是解除蛋白C的毒害作用。若推測正確且已知C基因的表達是在減數第一次分裂完成之前，結合題目信息推測，D基因的表達是在減數第一次分裂完成之后(填“之前”或“之后”)。組合1中可育花粉的基因型為CD或ABCDE。(不考慮片段交換)將雜交組合1的F1自交，F2植株中花粉育性的表型及比例為100%的花粉可育∶50%的花粉可育＝1∶1。(3)若上述推測正確，向雜交組合1的F1植株轉入1個D基因，再進行轉基因水稻的篩選和鑒定，假設轉入的D基因對水稻花粉育性之外的其他生理功能均無影響。①篩選得到水稻植株，花粉100%可育，說明D基因轉入來自粳稻(填“粳稻”或“秈稻”)的12號染色體上。②篩選得到水稻植株，花粉50%可育，說明D基因轉入來自秈稻的12號染染色體上。③若D基因插入非12號染色體上，該植株可育花粉的比例是3/4。解析：(1)由表可知，C基因可導致花粉育性降低，判斷依據是由雜交組合1、2、3可知，含C基因的F150%花粉可育，雜交組合4不含C基因的F1100%的花粉可育。(2)根據組合1的F1單獨敲除D基因，其花粉均不育，C、D基