2020-2021学年高中生物 第2章 细胞工程 1.1 植物细胞工程的基本技术学案 新人教版选择性必修3

1、2020-2021学年高中生物 第2章 细胞工程 1.1 植物细胞工程的基本技术学案 新人教版选择性必修32020-2021学年高中生物 第2章 细胞工程 1.1 植物细胞工程的基本技术学案 新人教版选择性必修3年级：姓名：- 14 -植物细胞工程的基本技术 必备知识素养奠基一、细胞的全能性1.概念:细胞经分裂和分化后,仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。2.分化的细胞不能表现全能性的原因:在特定的时间和空间条件下,细胞中的基因会选择性地表达。二、植物组织培养技术1.原理:植物细胞的全能性。2.概念:(1)对象:离体的植物器官、组织或细胞等。(2)场所:人工配制的培养基。(3)结

2、果:形成完整植株。3.流程: (1)过程:脱分化、再分化。(2)激素:细胞分裂素、生长素。 诱导愈伤组织期间一般不需要光照,在后续的培养过程中为什么需要提供适宜的光照?提示:叶绿素的合成需要光照。三、植物体细胞杂交1.植物体细胞杂交流程: 2.概念:(1)原料:不同来源的植物体细胞。(2)结果:杂种植株。3.意义:打破生殖隔离,实现远缘杂交育种。 原生质体融合体现了细胞膜有什么特点?提示:细胞膜具有流动性。关键能力素养形成知识点一植物组织培养1.植物组织培养的过程: 2.植物组织培养的条件:(1)外植体的选择:外植体脱分化的难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而不同。一般来说,植物的花和幼

3、嫩的组织脱分化相对比较容易,而植物的茎、叶和成熟的组织相对较难。(2)无菌操作:植物组织培养成功的关键是避免微生物的污染,所有实验用具要严格灭菌,接种过程要进行严格的无菌操作。(3)光照的控制:对于植物组织培养来说,光照条件非常重要。脱分化阶段:避光培养,有利于脱分化产生愈伤组织(如果是在光照条件下,容易分化产生维管等组织,不利于产生大量的愈伤组织)。再分化阶段:一定要有光照,有利于叶片内叶绿素的合成。(4)不同植物激素比例对植物组织培养的影响:生长素/细胞分裂素的比值作用效果比值高促进根的分化、抑制芽的形成比值低促进芽的分化、抑制根的形成比值适中促进愈伤组织的形成【特别提醒】植物组织培养的两

4、点提醒(1)植物组织培养植物细胞培养。植物组织培养是把外植体培养成完整的植物体;而植物细胞培养是将外植体培养成大量的细胞群体,以便获得人类所需的细胞次级代谢产物。(2)影响组织培养的光照条件不仅是光照强度,光照时间和波长等都影响植物组织培养。 (2019全国卷)培养胡萝卜根组织可获得试管苗,获得试管苗的过程如图所示。回答下列问题。(1)利用胡萝卜根段进行组织培养可以形成试管苗。用分化的植物细胞可以培养成完整的植株,这是因为植物细胞具有_。(2)步骤切取的组织块中要带有形成层,原因是_。(3)从步骤到步骤需要更换新的培养基,其原因是_。在新的培养基上愈伤组织通过细胞的_过程,最终可形成试管苗。(

5、4)步骤要进行照光培养,其作用是_。(5)经组织培养得到的植株,一般可保持原品种的_,这种繁殖方式属于_繁殖。【解题导引】解答本题思维流程如下: 【解析】(1)分化的植物细胞含有该生物生长发育所需要的全部遗传物质,具有发育的全能性,在一定条件下可以培养为完整的植株。(2)形成层属于分生组织,细胞分裂能力较强,容易脱分化形成愈伤组织。(3)培养基中的细胞分裂素和生长素可调控细胞的分裂和分化,诱导愈伤组织形成和诱导愈伤组织分化形成试管苗时,需要的生长素和细胞分裂素的比例不同,所以需要更换培养基。愈伤组织是一团未分化的细胞,通过再分化形成具有根、芽的试管苗。(4)再分化过程中需要光照条件,以利于叶绿

6、素的形成,叶绿素形成后,试管苗才能进行光合作用。(5)在植物组织培养过程中,只涉及有丝分裂,不涉及有性生殖细胞的生成,该方式可以保证母细胞和子细胞遗传物质的稳定,保持原品种的遗传特性,所以这种繁殖方式属于无性繁殖。答案:(1)全能性(或答:形成完整植株所需的全部基因)(2)形成层容易诱导形成愈伤组织(3)诱导愈伤组织形成和诱导愈伤组织分化形成试管苗时需要的生长素和细胞分裂素的比例不同分化(或答:再分化)(4)诱导叶绿素的形成,使试管苗能够进行光合作用(5)遗传特性无性【素养探究母题追问】(1)科学思维分析与推理胡萝卜根尖的形成层细胞和组织培养获得的植株根细胞中都没有叶绿素,为什么叶肉细胞却合成

7、了叶绿素?提示:胡萝卜根尖的形成层细胞、植株根细胞和叶肉细胞中都含有合成叶绿素的相关基因,但该基因只在叶肉细胞中进行了表达即基因的选择性表达。(2)科学思维批判性思维植物组织培养的脱分化过程中,植物细胞如何获得生长发育所需的营养物质?提示:植物细胞主要以主动运输的方式从培养基中获取营养物质。 【素养迁移】下列有关植物组织培养过程中的细胞脱分化的说法,不正确的是()a.已经分化的细胞失去特有的结构和功能而转变成未分化的细胞的过程b.已经分化的细胞转变成为具有分生能力的未分化细胞的过程c.离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程d.离体的植物组织经脱分化形成愈伤组织的过程中必须经过部分植

8、物激素的诱导【解析】选c。植物组织培养过程中的细胞脱分化是指已经分化的细胞经过诱导失去特有的结构和功能而转变成未分化的具有分生能力的愈伤组织的过程,该过程必须经过有关植物激素(如生长素和细胞分裂素)的诱导。离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程是再分化过程。综上所述,c项错误。【补偿训练】用高度分化的植物细胞、组织和器官进行组织培养可以形成愈伤组织,下列叙述错误的是()a.该愈伤组织是细胞经过脱分化和分裂形成的b.该愈伤组织的细胞没有全能性c.该愈伤组织是由未分化的细胞组成的d.该愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构【解析】选b。植物组织培养的原理是植物细胞的全能性。植物细胞

9、只有在脱离了植物体、并在一定的外部因素的作用下,经细胞脱分化形成愈伤组织,再由愈伤组织细胞发育、分化形成新的植物体才能表现出全能性。知识点二植物体细胞杂交1.原理:(1)细胞膜的流动性:原生质体融合的过程。(2)植物细胞的全能性:杂种细胞发育成杂种植株。2.操作过程:步骤图解技术原生质体的获取 纤维素酶和果胶酶去掉细胞壁获得原生质体原生质体的融合物理法:电融合法、离心法等化学法:聚乙二醇(peg)融合法、高ca2+-高ph融合法等杂种植株的形成植物组织培养3.杂种植株遗传物质的变化:(1)细胞融合属于染色体变异,杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和。(2)染色体组数通常也是两亲本细

10、胞染色体组数之和,形成异源多倍体。4.植物体细胞杂交育种的优点和局限性:(1)优点:克服远缘杂交不亲和的障碍。(2)局限性:目前仍有许多理论和技术问题未解决,还不能让杂种植物按照人们的需求表现出双亲的优良性状。【特别提醒】(1)植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖且浓度略大于植物细胞质浓度,不仅为原生质体提供营养,而且还能维持一定的渗透压,使原生质体保持正常的形态。(2)体细胞融合后培养基中共有5种细胞类型(a、b、aa、bb、ab),其中融合细胞类型有3种(aa、bb、ab),而真正符合要求的是ab,因此要对融合细胞进行筛选(注明:不考虑三个或三个以上细胞的融合)。 如图为“番茄马铃薯”的培育

11、过程示意图,有关叙述正确的是() a.获得a、b细胞需要用聚乙二醇处理b.诱导a、b细胞融合的化学试剂一般为秋水仙素c.a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞膜具有流动性d.d、e、f过程表示植物的组织培养过程,e、f分别为脱分化和再分化【解题导引】解答本题思维流程如下: 【解析】选c。植物体细胞在杂交之前,必须先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,获得具有活力的原生质体;a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞膜的流动性;诱导a、b细胞融合的化学试剂一般为聚乙二醇或高ca2+-高ph;d、e分别为脱分化和再分化过程。 【素养探究母题追问】(1)科学思维演绎与推理若上题图中a细胞含有2x条染色体,2个染色体

12、组,基因型为aabb,b细胞含有2y条染色体,2个染色体组,基因型为ccdd,产生的杂种植株的体细胞中含有几条染色体和几个染色体组?其基因型是什么?提示:杂种植株应为异源四倍体,其体细胞中染色体为(2x+2y)条,4个染色体组,基因型为aabbccdd。(2)社会责任解决生产生活中的实际问题若某种植物耐盐碱,另一种植物高产,能否用上题图中的方法进行新品种的培育?说出你的理由。提示:可以;植物体细胞杂交可以打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,杂种植株含有两个物种的遗传物质,所以后代会出现双亲的优良性状。 【素养迁移】(2020山东等级考)两种远缘植物的细胞融合后会导致一方的染色体被排出。若其中一个细

13、胞的染色体在融合前由于某种原因断裂,形成的染色体片段在细胞融合后可能不会被全部排出,未排出的染色体片段可以整合到另一个细胞的染色体上而留存在杂种细胞中。依据该原理,将普通小麦与耐盐性强的中间偃麦草进行体细胞杂交获得了耐盐小麦新品种,过程如下图所示。下列说法错误的是() a.过程需使用纤维素酶和果胶酶处理细胞b.过程的目的是使中间偃麦草的染色体断裂c.过程中常用灭活的病毒诱导原生质体融合d.耐盐小麦的染色体上整合了中间偃麦草的染色体片段【解析】选c。本题主要考查植物体细胞杂交技术。由题图信息可知,为细胞去掉细胞壁获得原生质体的过程,去掉细胞壁一般用纤维素酶和果胶酶处理细胞,a项正确;两种远缘植物

14、的细胞融合后会导致一方的染色体被排出,需要将中间偃麦草细胞染色体断裂,所以为用不同剂量的紫外线照射断裂中间偃麦草细胞的染色体,b项正确;图中为两种原生质体的融合,常用融合手段为物理法和化学法,灭活的病毒通常用来融合动物细胞,c项错误;普通小麦不具有耐盐性状,因此筛选出的耐盐小麦中控制耐盐性状的基因来自中间偃麦草的染色体片段,d项正确。【补偿训练】用植物细胞工程技术将天竺葵与香茅草进行杂交可产生驱蚊香草,使有驱蚊作用的香茅醛随着植物的蒸腾作用散发到空气中,达到驱蚊的效果。下面有关培养过程的叙述,错误的是()a.原生质体的融合常用peg作为诱导剂b.形成的愈伤组织其代谢类型是自养需氧型c.由杂种细

15、胞杂种植株,要通过有丝分裂和细胞的分化d.该项生物工程技术可克服远缘杂交不亲和的障碍【解析】选b。植物体细胞杂交过程中,诱导原生质体融合常用的诱导剂是peg;由杂种细胞杂种植株,要通过有丝分裂、脱分化和再分化才能形成;植物体细胞杂交克服了远缘杂交不亲和的障碍。杂种细胞经组织培养形成的愈伤组织,自身不含叶绿素无法进行光合作用,其营养物质来自培养基,代谢类型是异养需氧型。【课堂回眸】 课堂检测素养达标 【概念诊断】1.植物细胞工程技术主要包括植物组织培养和植物体细胞杂交,下列有关植物细胞工程技术的描述合理的是_。离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程属于脱分化愈伤组织是未分化的细胞植物

16、体细胞杂交利用了植物组织培养技术获得植物原生质体常用的化学方法是聚乙二醇融合法、高ca2+-高ph融合法植物体细胞杂交的目的是获得杂种植株【解析】选。离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程属于再分化,错误;外植体脱分化形成的愈伤组织是未分化的细胞,正确;植物体细胞杂交中将杂种细胞培养到杂种植株利用了植物组织培养技术,正确;获取植物原生质体利用的是纤维素酶和果胶酶,聚乙二醇融合法、高ca2+-高ph融合法是使原生质体融合的方法,错误;植物体细胞杂交目的是获得杂种植株,正确。2.如图为植物组织培养过程,有关说法正确的是() a.实验中试管中细胞全能性最高b.试管中培育出的个体都是纯合子

17、c.过程需要光照d.过程培养基保持不变【解析】选a。实验中试管中的愈伤组织细胞全能性最高,a正确;试管中培育出的个体不一定是纯合子,如果外植体取自纯合子,培育出的个体一定是纯合子,如果外植体取自杂合子,培育出的个体一定是杂合子,b错误;过程为脱分化的过程,不需要光照,c错误;过程为脱分化的过程,过程为再分化过程,脱分化和再分化过程中所用的培养基成分不同,d错误。3.植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因是()a.植物体细胞的结构组成中不包括细胞壁b.细胞壁使原生质体失去活力c.细胞壁阻碍了原生质体的融合d.细胞壁不是原生质体的组成部分【解析】选c。细胞壁是植物细胞结构的一部分,a项不符合题意;细胞

18、壁对植物细胞具有保护作用,不会使原生质体失去活力,但阻碍了原生质体的融合,因此要去除细胞壁,b项不符合题意,c项符合题意;细胞壁不是原生质体的组成部分,这不是植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因,d项不符合题意。4.白菜、甘蓝均为二倍体,若将白菜和甘蓝两者的花粉细胞的原生质体进行融合得到杂种细胞,再经植物组织培养获得“白菜甘蓝”杂种植株幼苗。下列说法错误的是()a.培育出的“白菜甘蓝”植株不能结籽b.诱导原生质体间的融合过程一般使用灭活的病毒c.该培育过程中的变异为染色体变异d.该培育过程中需要向培养基中添加植物激素【解析】选b。由于白菜、甘蓝均为二倍体,两者的花粉细胞中各含有白菜和甘蓝的一个染

19、色体组,若将两者的花粉细胞的原生质体进行融合得到杂种细胞,再经植物组织培养获得的“白菜甘蓝”杂种植株为二倍体,但因两个染色体组分别来自白菜和甘蓝,故不能结籽,a正确;诱导植物细胞原生质体间的融合一般不用灭活的病毒,b错误;用花粉细胞的原生质体融合得到的杂种细胞培养成“白菜甘蓝”杂种植株的变异类型为染色体变异,c正确;植物组织培养过程中需向培养基中添加一定配比的生长素和细胞分裂素,d正确。5.某兴趣小组拟用组织培养繁殖一种名贵花卉,其技术路线为“取材消毒愈伤组织培养出芽生根移栽”。下列有关叙述错误的是()a.消毒的原则是既杀死材料表面的微生物,又尽量减少消毒剂对细胞的伤害b.用赤霉素处理愈伤组织

20、细胞,可获得染色体加倍的细胞c.出芽是细胞再分化的结果,受基因选择性表达的调控d.生根时,培养基通常应含-萘乙酸等生长素类调节剂【解析】选b。植物组织培养中要求无菌操作,以防止细菌感染,消毒时既要杀死材料表面的微生物,又要尽量减少消毒剂对细胞的伤害,a正确;用赤霉素处理细胞不能使染色体数目加倍,b错误;出芽是细胞再分化的结果,分化的实质是基因的选择性表达,受基因选择性表达的调控,c正确;在诱导生根的过程中,需要生长素和细胞分裂素的共同作用,生长素与细胞分裂素比值高时,有利于根的分化,因此生根时,培养基中会含有-萘乙酸等生长素类调节剂,d正确。 【思维跃迁】6.“满城尽带黄金甲”描述的是菊花盛开

21、时的景象,要在短时间内快速获得大量的菊花,可以采用植物组织培养技术,如图为菊花植株繁殖过程示意图,据图回答问题: (1)植物组织培养过程中要利于根的分化,生长素的用量应_(填“大于”“等于”或“小于”)细胞分裂素。(2)菊花组织培养中,一般选取_,容易诱导脱分化和再分化。(3)过程_属于脱分化,细胞发生分化的根本原因是_。(4)假设最初试管中是菊花的花药,则培育出的植株称为_,这些植株的特点是高度不育,所以可用_处理才能获得可育的植株。【解析】根据题图分析:a表示脱分化,b表示再分化。(1)植物组织培养中要利于根的分化,生长素的用量应大于细胞分裂素。(2)菊花组织培养中,一般选取未开花植株的茎上部新萌生的侧枝。(3)过程a属于脱分化,细胞发生分化的根本原因是基因的选择性表达。(4)假设最初试管中是菊花的花药,由于花药是配子,则培育出的植株称为单倍体。单倍体植株的特点是高度不育,所以可用秋水仙素处理幼苗才能获得可育的植株。答案:(1)大于(2)生长旺