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　　生物科學的研究與農業生產及其發展密切相關，高中生物課本中許多知識都與農作物的栽培與管理有關，如綠色植物的新陳代謝、植物的激素調節、生物的生殖和發育、遺傳變異、生物工程等內容。高考大綱中要求學生具有“能夠綜合運用自然科學的基礎知識、技能，解釋或解決一些簡單的實際問題”的能力。以“農作物的栽培與管理”為專題對課本中的知識進行專題復習，不僅可以進一步促進學生對課本知識的理解和掌握，而且還可以培養學生分析、綜合、歸納以及解決實際問題的能力。

【專題知識概要】

Ⅰ．農作物的生長和發育

包括種子的形成和萌發、植株的生長和發育等階段。

一、各階段的發育過程：詳見教材中的相關內容。

二、各階段的營養供應：

1．在種子形成時，胚的發育所需要的營養來自胚柄從周圍胚囊中的組織中吸收來的；

2．種子萌發時所需要的營養物質來自胚乳或子葉；

3．植株的生長和發育階段所需要的有機營養物質由光合作用提供，無機物主要由根系從土壤中吸收來的。

三、種子萌發過程中的各種變化：

首先通過吸脹作用大量吸水，萌發初期，種子的無氧呼吸由弱到強，有氧呼吸由強到弱，這時種子內的有機物的種類增多，因呼吸消耗導致總量減少。

Ⅱ．農作物的增產增收

一、選種：即選取產量高，營養價值高、抗病蟲害強、生活周期短的優良品種進行種植，這些優良品種可通過雜交育種、轉基因技術、誘變育種技術等措施得到。

二、對農作物生長期進行科學管理。

1．為農作物生長提供適宜條件

（1）合理灌溉

①含義：根據植物的吸水規律適時地、適量地灌溉，以便使植物體茁壯生長，并且用最少的水獲取最大的效益。

②依據：不同植物的吸水量不同；同一種植物在不同的生長發育時期需水量也不同。

③意義：水分可以為光合作用、呼吸作用等生理活動提供原料；水分是生物體內的各種生化反應的介質；水分有助于礦質養料的吸收；水分的散失有助于水分的吸收、水分及礦質養料在植物體內的運輸以及散熱等。

（2）合理施肥

①含義：合理施肥就是指根據植物的需肥規律，適時地、適量地施肥，以便使植物體茁壯生長，并且獲得少肥高效的結果。

②依據：不同植物對各種必需的礦質元素的需要量不同。同一種植物在不同的生長發育時期，對各種必需的礦質元素的需要量也不同。

③意義：可以保證植物體礦質養料的供應，為作物合成蛋白質、ATP、葉綠素等物質的提供原料，如Mg是合成葉綠素的原料；Fe參與葉綠素的合成；N是與光合作用有關酶、ATP、NADP＋的成分，也是合成蛋白質的原料；P是NADP＋和ATP的組成成分，在維持葉綠體膜的結構和功能上有重要作用；綠色植物通過光合作用合成糖類，以及將糖類運輸到塊根、塊莖和種子等器官中，都需要鉀；等等。

（3）提供適宜溫度。

①適宜的溫度可以保證酶最高的催化活性；

②適宜的晝夜溫差有助于有機物在植物體內的積累，提高作物產量。

（4）CO2的供應。主要是為了加強光合作用暗反應CO2的固定，這一點措施在大棚作物種植中尤為重要。對于農田里的農作物來說，確保良好的通風透光，既有利于充分利用光能，又可以使空氣不斷地流過葉面，有助于提供較多的二氧化碳，從而提高光合作用效率。對于溫室里的農作物來說，通過增施農家肥料或使用二氧化碳發生器等措施，可以增加溫室中二氧化碳的含量，同樣可以提高農作物的光合作用效率。

（5）O2的供應。氧的含量主要影響到植物的呼吸速率。由于礦質離子的吸收與植物根細胞呼吸作用關系密切，因此，影響呼吸作用的因素也會影響到根對礦質離子的吸收，如溫度、土壤中O2的含量、土壤的pH值等。農業生產上的中耕松土等措施，就是有助于增加土壤中氧氣的含量，從而有助于促進根的呼吸作用。

（6）光照

①光照強度：在其它條件都滿足的情況下，隨著光照增強，光合作用增強。但在實際情況下，當光照達到一定光強后，由于其它條件的限制，光合作用的強度不再繼續增加，此時達到了光飽和點。不同植物的光飽和點是不同的，陰生植物的光飽和點要比陽生植物的低。

②光質（即光的波長）：由于色素主要吸收紅橙光和藍紫光，因此在實際情況下，白光照射時光合效率最高，其次是紅橙光和藍紫光的照射，黃綠光則不利于提高光合作用效率。不同顏色的光對光合作用產物的成分有影響，在藍紫光的照射下，光合產物中蛋白質和脂肪的含量較多；在紅光的照射下，光合產物中糖類的含量較多。這一發現在塑料大棚和人工光照的溫室中具有應用價值。例如，在培育水稻秧苗時，藍色的塑料薄膜有利于培育壯秧。

③日照長短：日照長短會影響到植物的開花期。經過短日照才能開花的植物叫短日照植物，經過長日照開花的植物叫長日照植物。在我國，南方一年中日照時間的變化不大，都是短日照，而北方的日照時間變化很大，冬天是短日照，夏天則是長日照。在作物南北移栽時，必須充分考慮到植物屬于長日照的還是短日照的。

④光照時間：延長全年內單位面積上綠色植物進行光合作用的時間，是合理利用光能的一項重要措施。間作、輪作、套作是農業生產上常用的措施。間作是指在一塊耕地上間隔著同時播種兩種或多種作物；輪作是指在一年里按預定的順序輪換種植不同的作物；套作是指某一作物生長的后期，在行間播種另一種作物。這些措施，巧妙地搭配各種作物，從時間和空間上更好地利用了光能。

⑤增加光合作用面積：農業生產上的合理密植，是增加光合作用面積的一項重要措施。　

2．植物激素的利用。據植物激素的作用原理，發揮植物激素在農業生產中的作用，如適時解除作物的頂端優勢現象、生長素的除草作用、無子果實的培育、乙烯的催熟作用等。

3．加強病蟲害生物防治。盡量不使用農藥，減少農藥對環境的污染，實現生態系統的良性循環，形成綠色食品。

（1）利用轉基因技術、誘變育種等方法培育抗蟲作物。

（2）利用天敵捕食關系來消滅害蟲。

（3）利用昆蟲激素來控制害蟲。如根據是幼蟲期還是成蟲期對農作物產生危害，用適量的保幼激素或蛻皮激素來控制害蟲的發育進程；再如利用性外激素誘捕害蟲或干擾雌雄昆蟲的正常交尾，達到防治目的。

（4）利用昆蟲趨光性的特點，用黑光燈捕殺。

三、發揮農作物的繁殖控制技術在農業生產中的應用，如為了保持親本的優良性狀，人們常采用扦插、嫁接等營養生殖的方法來繁殖后代；再如植物組織培養技術在花卉和果樹的快速繁殖、培育無病毒植物等方面的廣泛應用等。

四、利用先進技術手段培育優良作物，如利用生物育種技術改良作物品種，大幅度提高作物的產量和質量，實現作物的高效、高產、高質；利用轉基因技術讓作物具有極少數生物所具有的固氮作用，既可增產，又減少化肥對環境的污染等。

Ⅲ．農作物新品種的培育（作物育種）

一、含義：

生物育種是指人們按照自己的意愿，依據不同的育種原理，有目的、有計劃地獲得人們所需要的生物新品種。包括兩種情況：

1．從不良性狀中把所需要的優良性狀（相對性狀）分離出來或把位于不同個體的優良性狀集中到一個個體上來。如利用基因分離的原理從高稈小麥中分離出能抗倒伏的矮稈小麥品種；通過基因的自由組合，把小麥中高稈抗銹病和矮稈不抗銹病兩種性狀進行重新組合獲得矮稈抗病的小麥優良品種。

2．創造具有優良性狀的生物新品種。如利用人工誘變育種技術培育作物新品種；利用基因工程的原理創造抗蟲棉。

二、育種方法：

（一）根據“可遺傳變異的來源”原理進行育種

1．雜交育種：

（1）原理：基因重組（通過基因分離、自由組合或連鎖交換，分離出優良性狀或使各種優良性狀集中在一起）

（2）方法：連續自交，不斷選種。

（3）舉例：

已知小麥的高稈（D）對矮稈（d）為顯性，抗銹病（R）對易染銹病（r）為顯性，兩對性狀獨立遺傳。現有高稈抗銹病、矮稈易染病兩純系品種。要求使用雜交育種的方法培育出具有優良性狀的新品種。

操作方法：（參見右面圖解）

①讓純種的高稈抗銹病和矮稈易染銹病小麥雜交得F1 ；

②讓F1自交得F2 ；

③選F2中矮稈抗銹病小麥自交得F3；

④留F3中未出現性狀分離的矮稈抗病個體，對于F3中出現性狀分離的再重復③④步驟

（4）特點：育種年限長，需連續自交不斷擇優汰劣才能選育出需要的類型。

（5）說明：

①該方法常用于同一物種不同品種的個體間，如上例；

②對于親緣關系較近的不同物種個體間也可以用到雜交技術，如八倍體小黑麥的培育、蘿卜和甘藍雜交，但為了使后代可育，應做染色體加倍處理，得到的個體即是異源多倍體，這種育種方式就是多倍體育種。

③若該生物靠有性生殖繁殖后代，則必須選育出優良性狀的純種，以免后代發生性狀分離；若該生物靠無性生殖產生后代，那么只要得到該優良性狀就可以了，純種、雜種并不影響后代性狀的表達，如2003年全國高考卷中的育種題，可參見“典型例題分析”部分例題。

2．誘變育種

（1）原理：基因突變

（2）方法：用物理因素（如X射線、γ射線、紫外線、激光等）或化學因素（如亞硝酸、硫酸二乙脂等）來處理生物，使其在細胞分裂間期DNA復制時發生差錯，從而引起基因突變。

（3）舉例：太空育種、“黑農五號”大豆

（4）特點：可提高突變頻率，創造出人類需要的變異類型，從中選擇培育出優良的生物品種，但由于突變的不定向性和有害性，因此該種育種方法盲目性較大，且必需大量處理供試材料，工作量大。

3．單倍體育種

（1）原理：染色體變異

（2）方法：花藥離體培養獲得單倍體植株，再人工誘導染色體數目加倍。

（3）舉例：

已知小麥的高稈（D）對矮稈（d）為顯性，抗銹病（R）對易染銹病（r）為顯性，兩對性狀獨立遺傳。現有高稈抗銹病、矮稈易染病兩純系品種。要求用單倍體育種的方法培育出具有優良性狀的新品種。

操作方法：（參見下面圖解）

①讓純種的高稈抗銹病和矮稈易染銹病小麥雜交得F1 ；

②取F1的花藥離體培養得到單倍體；

③用秋水仙素處理單倍體幼苗，使染色體加倍，選取具有矮稈抗病性狀的個體即為所需類型。

（4）特點：由于得到的個體基因都是純合的，自交后代不發生性狀分離，所以相對于雜交育種來說，明顯縮短了育種的年限。

（5）說明：該種育種方法有時用到雜交技術，其中的花藥離體培養過程需要組織培養技術手段的支持。

4．多倍體育種：

（1）原理：染色體變異

（2）方法：用秋水仙素處理萌發的種子或幼苗，從而使細胞內染色體數目加倍，染色體數目加倍的細胞繼續進行正常的有絲分裂，即可發育成多倍體植株。

（3）舉例：

①三倍體無子西瓜的培育（同源多倍體的培育）

過程：參見高二必修教材第二冊第49頁圖解

說明：

a．三倍體西瓜種子種下去后，為什么要授以二倍體西瓜的花粉？

西瓜的三倍體植株由于減數分裂過程中聯會紊亂，不能形成正常生殖細胞，因而不能形成種子，子房因缺乏生長素而不能發育成果實。但在三倍體植株上授以二倍體西瓜花粉后，花粉在柱頭上萌發的過程中，將自身的色氨酸轉變為吲哚乙酸的酶體系分泌到西瓜三倍體植株的子房中去，引起子房合成大量的生長素；其次，二倍體西瓜花粉本身含有少量生長素，在授粉后也可擴散到子房中去，這兩種來源的生長素均能使子房發育成果實。
　　b．如果用二倍體西瓜作母本、四倍體西瓜作父本，即進行反交，也可以得到無子西瓜嗎？

會，但這樣會使珠被發育形成的種皮厚硬，從而影響無子西瓜的品質。

②八倍體小黑麥的培育（異源多倍體的培育）：

普通小麥是六倍體（AABBDD），體細胞中含有42條染色體，屬于小麥屬；黑麥是二倍體（RR），體細胞中含有14條染色體，屬于黑麥屬。兩個不同屬的物種一般是難以雜交的，但也有極少數的普通小麥品種含有可雜交基因，能接受黑麥的花粉。雜交后的子一代含有四個染色體組（ABDR），不可育，必須用人工方法進行染色體加倍才能產生后代，染色體加倍后的個體細胞中含有八個染色體組（AABBDDRR），而這些染色體來自不同屬的物種，所以稱它為異源八倍體小黑麥。

（4）特點：該種育種方法得到的植株莖稈粗壯，葉片、果實和種子較大，糖類和蛋白質等營養物質的含量有所增加，但發育延遲，結實率降低。

（5）說明：在育種中要用到雜交技術。

5．細胞質遺傳原理育種：高考大綱中不做要求，此處略。

（二）依據“工程原理”進行育種

1．利用“基因工程”育種

（1）原理：DNA重組技術（屬于基因重組范疇）

（2）方法：按照人們的意愿，把一種生物的個別基因復制出來，加以修飾改造，放到另一種生物的細胞里，定向地改造生物的遺傳性狀。操作步驟包括：提取目的基因、目的基因與運載體結合、將目的基因導入受體細胞、目的基因的檢測與表達等。（具體過程參見教材中的相關內容）

（3）舉例：抗蟲棉等

（4）特點：目的性強，育種周期短。

2．利用“細胞工程”育種

（1）原理：植物體細胞雜交

（2）方法：用兩個來自不同植物的體細胞融合成一個雜種細胞，并且把雜種細胞培育成新植物體的方法。操作步驟包括：用酶解法去掉細胞壁、用誘導劑誘導原生質體融合、將雜種細胞進行組織培養等。（參見教材中的相關內容）

（3）舉例：“番茄馬鈴薯”雜種植株

（4）特點：可克服遠緣雜交不親合的障礙，大大擴展了可用于雜交的親本組合范圍。

（5）說明：該種方法需植物組織培養等技術手段的支持。

（三）利用植物激素進行育種

1．原理：適宜濃度的生長素可以促進果實的發育

2．方法：在未受粉的雌蕊柱頭上涂上一定濃度的生長素類似物溶液，子房就可以發育成無子果實。

3．舉例：無子番茄的培育

4．特點：由于生長素所起的作用是促進果實的發育，并不能導致植物基因型的改變，所以該種變異類型是不遺傳的。

Ⅳ．無土栽培技術漫談

一、相關資料

    無土栽培是近百年來新發展起來的一種栽培技術，使用天然基質（如碎秸稈、鋸末、草炭、砂等）或人工基質（如巖棉、珍珠巖等）代替土壤，甚至不使用任何基質，運用營養液直接浸、噴植物根部，又稱之為營養液栽培。

1．無土栽培的優點

（1）無土栽培作物生長快、生育期短，可實現作物的早熟高產，全年都可以栽培。

（2）它不使用有機肥，無臭味，不生雜質，不污染環境，也不被環境所污染，生產的產品新鮮、品質優良。

（3）勞動強度小，水肥用量降低。無土栽培無需傳統耕作中的中耕、除草、土壤消毒、追肥等煩瑣環節，單位勞動力管理的規模可大大增加，勞動強度明顯下降。營養液栽培的水肥供應一般采用微管道灌溉系統，較易實行定點、局部化，可明顯降低水肥的浪費。試驗證明可比土壤栽培節水3～7倍，肥料利用率提高20%～30%。

（4）節約土地，不受環境制約，可在沙漠、戈壁、海島等不毛之地進行種植，甚至在宇宙飛船和潛艇中，都能種植植物。在家庭、辦公室可利用窗臺、陽臺、走廊、屋頂及其空閑地栽種植物，這不僅可以創造經濟效益，還可以美化環境、凈化空氣。

    （5）病蟲害明顯減少。無土栽培可防止因土傳病原傳播的多種惡性病害的發生，切斷了一個較重要的病蟲害傳播渠道；另外，由于人為改善了根際微環境，促使植株生長健壯，增強了自身的抗病能力，避免了土壤栽培中因多年鹽分積累和連作導致的土壤鹽漬化及重茬減產現象。同時，基質的消毒同土壤消毒相比更經濟、方便。

    （6）便于工廠化生產。無土栽培充分顯示出農業可以像工業生產一樣，機械化、自動化生產作物，完全由人工控制植物生長。現在世界上已有全自動化無土栽培設施和立體化無土栽培工廠。

2．無土栽培的類型

無土栽培根據所用基質的不同而有不同的類型，可分為水培、沙培等。

3．無土栽培的技術基礎

培養液的成分、濃度、配制和調節，是無土栽培的重要技術基礎。

營養液應具備以下三個特點：

（1）包括所有的必需的礦質元素，對某些植物還可以增加有關的元素，例如禾本科植物的營養液中可以加入適量的Si。

（2）是均衡的營養液，也就是礦質元素之間要有適宜的濃度比例。

（3）具有適宜的pH范圍。

二、教材相關知識

高中生物教材中與無土栽培相關的知識主要包括：

（1）高二必修教材第一冊中的植物代謝部分內容（植物的礦質營養、植物對水分的吸收和利用、光合作用和呼吸作用等）。

（2）高二必修教材第二冊中的遺傳和變異知識，如植物礦質元素吸收具有選擇性的根本原因是什么？

（3）高三選修教材中的光合作用和生物固氮知識。

　　【典型例題分析】

【例】小麥品種是純合體，生產上用種子繁殖，現要選育矮桿（aa）、抗病（BB）的小麥新品種；馬鈴薯品種是雜合體（有一對基因雜合即為雜合體），生產上通常用塊莖繁殖。現要選育黃肉（Yy）、抗病（Rr）的馬鈴薯新品種。請分別設計小麥品種間雜交育種程序，以及馬鈴薯品種間雜交育種程序。要求用遺傳圖解表示并加以簡要說明。（寫出包括親本在內的前三代即可）

解析：本題是2003高考全國卷（新課程卷）中的第26題，本題重在考查以遺傳規律為主的相關知識，如基因的自由組合規律、作物育種的方法、生殖的種類等。從試題設計的角度，此題隱含的考查內容十分豐富，能夠很好地考查學生的多種素質，如能力素質，包括理解問題的能力、分析問題的能力和解決問題的能力；學習素質，在準確理解問題后，運用簡明的方法科學表達自己觀點的素質等。該試題的開放性較高，這種開放性主要體現在題干所提供信息的開放性和解答過程的開放性，這就要求學生能夠在開放性的素材中通過認真審題，找出嚴格的限制條件；在開放性的解答過程中把握嚴謹的規范和準確的邏輯內涵。本題學生在解答時易出現以下錯誤：

①不能準確地繪制遺傳圖解。

②混淆了雜交育種與單倍體育種，導致部分考生在選育小麥時運用了單倍體育種的方法。
　　③題意理解不到位或出現偏差，如第一代馬鈴薯基因型的確定，有的學生認為可以是yyRr 、Yyrr，也可以是Y_ R_，但如果我們仔細分析要培養的馬鈴薯表現型就會發現其基因型不能是Y_ R _，否則就沒有選育的必要了。

④在做題時沒有考慮到利用種子繁殖和利用塊莖進行繁殖對后代的影響。

答案：            小麥　　　

第一代　　　AABB　×　aabb   　　　　　親本雜交

                   ↓

第二代　F1　　　　AaBb　　　　　　　　 種植F1代自交

　　　　　　　　　 ↓自交

第三代　F2　A＿B＿，A＿bb，aaB＿，aabb　種植F2代，選矮桿、抗病（aaB_），繼續自交，期望下代獲得純合體

（注：①A＿B＿，A＿bb，aaB＿，aabb表示F2出現的九種基因型和四種表現型。

　　　　　②學生寫出F2的九種基因型和四種表現型均給滿分）

　　　　　　　　　　　馬鈴薯

第一代　　　   yyRr ×　Yyrr       親本雜交

↓

第二代　 YyRr，yyRr，Yyrr，yyrr    種植，選黃肉、抗病（YyRr）

第三代             YyRr    　　　　用塊莖繁殖