第3章 第1节 第1课时

1、第1节植物细胞工程第1课时植物细胞工程的根本技术目标导读1.结合教材P47图32和实验内容 ,掌握植物组织培养技术。2.分析教材P49图33 ,理解植物体细胞杂交技术。重难点击1.细胞全能性的含义及其在植物组织培养中的应用。2.植物组织培养技术。3.植物体细胞杂交技术。“春风欲擅秋风巧 ,催出幽兰继落梅 ,素有“天下第一香之称的兰花 ,以其优美高雅的叶片和芳香艳丽的花朵 ,成为自古以来文人墨客吟诗作赋的对象。但是 ,兰花在自然条件下播种繁殖的难度很大 ,需要较长时间才能获得少量幼苗。如何才能满足人们对兰花的需求呢？科学家在细胞全能性的理论根底上发现了兰花快速繁殖的技术植物组织培养。植物组织培养

2、是植物细胞工程的核心技术 ,植物细胞工程的根本技术还有哪些？又在哪些方面得到了应用呢？一、植物组织培养技术1.理论根底植物细胞的全能性 ,其含义是具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞 ,都具有发育成完整生物体的潜能。2.技术类型(1)植物的细胞培养：对选定的植物细胞进行培养 ,主要的方法是细胞悬浮培养 ,是植物体细胞杂交、植物细胞核移植、显微注射和细胞代谢产物大规模生产等技术的根底。(2)原生质体培养：利用纤维素酶和果胶酶去除植物的细胞壁 ,可以获得原生质体 ,原生质体培养是植物体细胞杂交和显微注射技术的根底。(3)花粉和花药培养：快速选育出稳定遗传的植株。(4)植物离体胚培养：分为幼胚培养

3、和成熟胚培养 ,常用于挽救远缘杂交的种子幼胚。3.实验：小麦种胚的组织培养(1)实验原理在特定的营养和激素条件下 ,小麦的种胚可以脱分化形成愈伤组织 ,然后再分化生成幼苗 ,进而发育成完整的小麦植株。(2)方法步骤将小麦种子在水中浸泡过夜 ,在超净工作台上用次氯酸钠溶液处理30 min后 ,立即用无菌水清洗23次。剥离种胚 ,接种到培养基上 ,封盖培养瓶口。将培养瓶置于23 26 恒温箱中避光培养 ,获得愈伤组织。将生长状态良好的愈伤组织转接到分化培养基上 ,置于23 26 的恒温箱中光照培养 ,获得幼苗。当幼苗生长到34 cm时 ,转接到生根培养基上 ,继续光照培养。对幼苗进行7 d炼苗处理

4、 ,然后移栽到土壤中。4.植物组织培养的概念在无菌和人工控制的条件下 ,将离体的植物器官、组织、细胞 ,培养在人工配制的培养基上 ,给予适宜的培养条件 ,最终诱导产生愈伤组织、丛芽或完整的植株。以下是利用胡萝卜的组织进行植物组织培养的过程 ,请分析：1.分别表示什么过程？答案脱分化、再分化。2.在植物组织培养过程中 ,为什么要进行一系列的消毒、灭菌 ,并且要求无菌操作？答案防止杂菌污染。杂菌能在培养基上迅速生长消耗营养 ,且有些杂菌会危害培养物的生长。3.假设培养物取自植物的幼茎、叶片等含有叶绿体的部位 ,愈伤组织中是否会含有叶绿体？答案培养物经过诱导后 ,失去其特有的结构和功能而转变成未分化

5、的细胞 ,故愈伤组织中不会含有叶绿体。4.植物组织培养中的脱分化阶段 ,培养的组织细胞是自养型还是异养型？为什么？答案脱分化过程中细胞营异养生活 ,因为此时细胞没有叶绿体 ,并且一般要避光培养 ,无法进行光合作用。1.如下图为胡萝卜的韧皮部细胞通过无菌操作接入试管后 ,在一定的条件下 ,形成试管苗的培育过程。请据图答复以下问题：(1)要促进细胞分裂生长 ,培养基中应有营养物质和激素。营养物质包括_和小分子有机物 ,激素包括细胞分裂素和_两类植物激素。(2)此过程依据的原理是_。A和B阶段主要进行的分裂方式是_ ,B阶段除了细胞分裂外 ,还进行细胞_等。(3)此过程要无菌操作 ,主要是指对_进行

6、灭菌消毒。B阶段需要光照 ,原因是_。(4)试管苗的根细胞没有叶绿素 ,而叶肉细胞具有叶绿素 ,这是基因_的结果。答案(1)无机物生长素(2)细胞的全能性有丝分裂分化(3)培养基芽发育成叶 ,叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件(4)选择性表达解析图中A为脱分化过程 ,B为再分化过程。A过程需避光培养 ,B过程需光照培养。题后归纳植物组织培养的考前须知(1)实验成功的关键是防止微生物污染 ,所有实验用具需严格灭菌 ,确保实验过程无菌操作。(2)培养基中必须含有植物生长所必需的全部营养 ,如矿质元素、糖、维生素等。(3)离体的植物细胞、组织和器官脱分化形成愈伤组织时 ,需避光培养；再分化时 ,却要

7、在光照条件下进行。(4)再分化过程是先进行生芽培养 ,再进行生根培养。(5)植物激素 ,特别是生长素和细胞分裂素的配比对器官的发生具有一定的影响。比值高时 ,有利于根的分化 ,抑制芽的形成；比值低时 ,有利于芽的分化 ,抑制根的形成；比值适中时 ,促进愈伤组织的生长 ,不分化。二、植物体细胞杂交技术1.概念植物体细胞杂交就是将不同种的植物体细胞原生质体在一定条件下融合成杂种细胞 ,并把杂种细胞培育成完整植物体的技术。2.原理：细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。3.过程(1)用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁 ,制备原生质体。(2)诱导原生质体融合：方法有物理法和化学法两大类。物理法包括离心、振动、电

8、刺激等；化学法一般用聚乙二醇(PEG)诱导。(3)杂种细胞再生出细胞壁的过程 ,这是原生质体融合成功的标志。(4)进行植物组织培养 ,获得杂种植株。4.优点：克服远缘杂交不亲和的障碍 ,大大扩大了可用于杂交的亲本组合范围。5.未解决的问题：还不能让杂种植物按人们的要求表现出亲代的性状。6.植物细胞工程的概念利用细胞生物学和分子生物学的原理和方法 ,以植物细胞为根本单位进行培养增殖或按照人们的意愿来改造细胞的某些生物学特征 ,从而获得细胞产品的一门综合技术。以下图是两种植物进行植物体细胞杂交的过程 ,请分析：1.将来自不同植物的两个体细胞融合时 ,首先遇到的障碍是什么？怎样解除此障碍？答案细胞壁

9、阻碍细胞间的融合。用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。2.将两个不同种的植物细胞A和B去除细胞壁后 ,经一定的方法促融 ,常用的化学促融剂是什么？如果只考虑两两融合 ,可以形成几种融合细胞？哪种融合细胞才是符合要求的？答案聚乙二醇；三种(AA、BB、AB) ,AB融合细胞才是符合要求的。3.杂种植物在遗传上有何特点？从染色体组成上看杂种植株的变异属于哪一种？答案遗传物质来自两个亲本 ,具有双亲的遗传性状。染色体数目变异。4.与传统有性杂交相比 ,植物体细胞杂交技术的优点是什么？答案克服了植物远缘杂交不亲和的障碍 ,打破了物种之间的生殖隔离。2.如图为“番茄马铃薯的培育过程示意图 ,有关表达正确的选项

10、是()A.获得a、b细胞需要胰蛋白酶和果胶酶B.诱导a、b细胞融合的化学试剂一般用秋水仙素C.a、b细胞融合为c细胞的原理是生物膜具有流动性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答案C解析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；诱导a、b细胞融合的化学试剂一般用聚乙二醇；a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞膜的流动性；d、e分别为脱分化和再分化。知识拓展体细胞杂交过程中涉及的遗传知识(1)从生殖类型上看 ,植物体细胞杂交技术没有生殖细胞的形成和结合 ,应属于无性生殖 ,变异类型应是染色体数目的变异 ,但由于含有两个亲

11、本的遗传物质 ,因此具有两个亲本的遗传性状。(2)体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞 ,不管染色体、基因组还是染色体组都采用直接相加的方法。 1.以下哪种细胞的全能性最容易得到表达()A.青蛙的皮肤细胞 B.胡萝卜的韧皮部细胞C.小白鼠的肝脏细胞 D.胡萝卜的形成层细胞答案D解析细胞分化程度越低 ,全能性越容易表达 ,青蛙的皮肤细胞和胡萝卜的韧皮部细胞都是高度分化的细胞 ,小白鼠的肝脏细胞和胡萝卜的形成层细胞都具有分生能力 ,但植物细胞的全能性比动物细胞更容易表达 ,故胡萝卜的形成层细胞的全能性最容易表达。2.如图为植物组织培养过程 ,有关说法不正确的选项是()A.b试管中细胞全能性最高B.d

12、试管中培育出的个体都是纯合体C.ab的过程不需要光照D.ad的细胞分裂方式都是有丝分裂答案B解析试管中的试管苗来源相同 ,都是通过植物组织培养发育而成的 ,植株的基因型相同 ,但不一定是纯合体。3.植物细胞表现出全能性的必要条件和增殖方式是()A.脱离母体后 ,给予适宜的营养和外界条件；减数分裂B.导入其他植物细胞的基因；有丝分裂C.将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内；减数分裂D.脱离母体后 ,给予适宜的营养和外界条件；有丝分裂答案D解析植物细胞表现全能性的条件：细胞离体和适宜的外界条件；一定的营养(无机、有机成分)和植物激素。植物细胞经组织培养形成植物体的过程 ,包括脱分化和再分化两个重

13、要的步骤 ,在这两个过程中细胞都是通过有丝分裂方式进行增殖的 ,应选D。4.A种植物细胞(基因型为Aa)、B种植物细胞(基因型为Bb)去掉细胞壁后 ,诱导两种细胞的原生质体融合 ,形成单核的杂种细胞。那么经过组织培养得到的杂种植株是()A.二倍体 ,基因型为AaBbB.二倍体 ,基因型为AAaaBBbbC.四倍体 ,基因型为AaBbD.四倍体 ,基因型为AAaaBBbb答案C5.如图表示植物组织培养过程 ,请答复以下问题：(1)图中过程获得的细胞是正常植物体经_形成的 ,在这一过程中的染色体的变化是_。(2)要顺利完成过程 ,除了需要各种无机营养物质外 ,还需要在培养基中参加_、_(两类不同功

14、能的物质)。该过程形成的细胞与正常体细胞相比 ,具有_的特点。(3)从过程的结果看 ,它的本质是_。(4)某人在探究细胞脱分化和再分化的实验中 ,得到了如下结果：只有细胞分裂素时 ,组织块产生愈伤组织细胞分裂素生长素时 ,愈伤组织不分化细胞分裂素生长素时 ,愈伤组织分化出芽细胞分裂素生长素时 ,愈伤组织分化出根由实验结果 ,你能得出什么结论？_。答案(1)减数分裂染色体复制一次 ,细胞分裂两次 ,子细胞中染色体数目是亲代细胞的一半(2)有机营养物质植物激素排列疏松、高度液泡化、细胞壁薄(3)基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果(4)植物激素的种类和含量不同 ,对愈伤组织的形成和分化的影

15、响不同根底过关1.以下有关细胞全能性的含义的表达 ,正确的选项是()A.每个生物体内的所有细胞都具有相同的功能B.生物体内的任何一个细胞都可以完成该个体的全部功能C.理论上 ,生物体的每一个活细胞都具有发育成完整个体的潜能D.生物体的每个细胞都经过产生、分裂、分化、生长、衰老、死亡的全过程答案C解析细胞全能性是指细胞中含有本物种的整套遗传物质 ,具有发育成一个完整个体的潜能。2.生物体内细胞没有表现出全能性 ,而是分化为不同的组织、器官 ,这是因为()A.细胞丧失了全能性B.基因的选择性表达C.不同的细胞内基因不完全相同D.在个体发育的不同时期 ,细胞内的基因发生了变化答案B解析生物体内的细胞

16、表现不出全能性 ,是因为发生了基因的选择性表达而分化为不同的组织和器官。3.在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中 ,以下哪一项条件一般是不需要的()A.消毒、灭菌 B.适宜的温度C.充足的光照 D.适宜的养料和激素答案C解析由于此阶段形成的是愈伤组织 ,并没有形成具有根、茎、叶的植物体 ,因此一般不需要光照。4.植物组织培养过程中的脱分化是指()A.植物体的分生组织通过细胞分裂产生新细胞的过程B.未成熟的种子经过长期培养 ,长出幼苗的过程C.植物的器官、组织或细胞 ,通过离体培养产生愈伤组织的过程D.取植物的枝芽培育成一株新个体的过程答案C解析植物细胞的脱分化就是让已分化的细

17、胞 ,经过诱导后 ,失去其特有的结构和功能 ,而转变为未分化的细胞形成愈伤组织的过程。5.要想通过体细胞杂交技术获得杂种植株 ,以下各项步骤中正确的选项是()A.别离原生质体诱导原生质体融合再生细胞壁组织培养杂种植株B.别离原生质体原生质体自然融合再生细胞壁组织培养杂种植株C.病毒诱导原生质体融合组织培养杂种植株D.别离原生质体脱分化再分化杂种植株答案A解析植物体细胞杂交技术首先要获得不同生物的体细胞 ,用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁得到原生质体 ,再通过物理法或化学法诱导原生质体融合成杂种细胞 ,再经组织培养形成杂种植株。6.以下有关植物体细胞杂交的表达中 ,不正确的选项是()A.用酶解法去掉

18、细胞壁 ,别离出有活力的原生质体B.诱导两种植物细胞的原生质体融合 ,进而形成杂种细胞C.植物体细胞杂交的最终目的是获得细胞代谢产物D.植物体细胞杂交技术可以克服不同种间远缘杂交不亲和的障碍答案C解析植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶 ,因此可以用纤维素酶和果胶酶去掉细胞壁；原生质体在物理法或化学法诱导下可融合成杂种细胞；植物体细胞杂交的目的是获得杂种植株。 能力提升7.以下关于植物组织培养的表达中 ,错误的选项是()A.培养基中添加蔗糖的目的是提供营养和调节渗透压B.培养基中的生长素和细胞分裂素影响愈伤组织的生长和分化C.离体器官或组织的细胞都必须通过脱分化才能形成愈伤组织D.同一株绿色开花

19、植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织基因相同答案D解析绿色开花植物的细胞有两种：体细胞和配子细胞 ,这两种细胞所含的核型(基因)是不同的 ,同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织基因可能不同。8.如图表示四倍体兰花叶片通过植物组织培养形成植株的过程 ,以下相关表达中正确的选项是()A.和阶段会发生减数分裂B.阶段需生长素而阶段需细胞分裂素C.阶段有细胞增殖但无细胞分化D.此兰花的花药离体培养所得植株为二倍体答案C解析图中是脱分化 ,、是再分化 ,和阶段会发生有丝分裂；阶段和阶段都需生长素和细胞分裂素 ,只是二者比例不同；此兰花的花药离体培养所得植株为单倍体。9.以下关于植物体细

20、胞杂交的表达中 ,错误的选项是()A.不同种植物原生质体融合的过程属于植物体细胞杂交过程B.参与杂种细胞细胞壁形成的细胞器主要是线粒体和核糖体C.植物体细胞杂交技术可克服生殖隔离的限制 ,培育远缘杂交植株D.杂种植株表现出的性状是基因选择性表达的结果答案B解析植物体细胞杂交就是将不同种的植物体细胞原生质体在一定条件下融合成杂种细胞 ,并把杂种细胞培育成完整植物体的技术。杂种植株能具有两种植物的性状 ,但是由于基因的选择性表达 ,其不能表现两种植物所有的性状 ,细胞壁的主要成分是纤维素和果胶 ,形成过程与高尔基体有关。10.植株甲是二倍体水稻 ,利用植株甲获得了植株乙 ,而后利用植株甲和乙又获得

21、了植株丙和丁。培养过程如下图。以下有关表达正确的选项是()A.用秋水仙素处理植株甲的雌蕊柱头可获得植株乙B.植株丙与植株丁的体细胞中染色体组的数目相同C.植株甲与植株乙正交和反交所得种子的胚乳的基因型不同D.获得植株丙和植株丁的过程都属于有性繁殖答案C解析用秋水仙素处理植株甲萌发的种子或幼苗可得到植株乙；图示丙植株体细胞中染色体组数应为3 ,而丁植株体细胞中染色体组数应为6；获得植株丙的过程为有性繁殖 ,获得植株丁的过程为无性繁殖。11.科学家利用植物体细胞杂交技术成功获得了番茄马铃薯杂种植株 ,为了便于杂种细胞的筛选和鉴定 ,科学家利用红色荧光和绿色荧光分别标记番茄和马铃薯的原生质体膜上的蛋

22、白质 ,其培育过程如下图 ,请据图答复以下问题：(1)植物体细胞杂交依据的生物学原理有_。(2)过程常用的酶是_ ,细胞融合完成的标志是_。(3)植物原生质体融合过程常利用化学试剂_诱导融合 ,在鉴定杂种原生质体时可用显微镜观察 ,根据细胞膜外表荧光的不同可观察到_种不同的原生质体(只考虑细胞两两融合的情况) ,当观察到_时可判断该原生质体是由番茄和马铃薯融合而成的。(4)过程和过程依次为_ ,过程中的培养基常添加的植物激素是_。(5)假设番茄细胞内有m条染色体 ,马铃薯细胞内有n条染色体 ,那么“番茄马铃薯细胞在有丝分裂后期含_条染色体。假设杂种细胞培育成的“番茄马铃薯植株为四倍体 ,那么此

23、杂种植株的花粉经离体培育得到的植株属于_植株。答案(1)细胞膜的流动性、植物细胞的全能性(2)纤维素酶和果胶酶再生出新的细胞壁(3)聚乙二醇(或PEG)3融合的细胞外表既有红色荧光又有绿色荧光(4)脱分化和再分化生长素和细胞分裂素(5)2(mn) 单倍体解析(1)植物体细胞杂交包括原生质体融合和培育杂种植株两大步骤 ,两者的原理分别是细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。(2)去除细胞壁常用的酶是纤维素酶和果胶酶 ,细胞融合完成的标志是再生出新的细胞壁。(3)化学促融剂是聚乙二醇 ,两两融合的原生质体有三种：番茄番茄、马铃薯番茄、马铃薯马铃薯 ,其中杂种细胞的细胞外表有两种颜色的荧光。(4)过程和

24、过程分别表示脱分化和再分化 ,诱导细胞分化所用的植物激素主要是生长素和细胞分裂素。(5)“番茄马铃薯体细胞有(mn)条染色体 ,有丝分裂后期染色体数目加倍；由配子发育成的个体均为单倍体。12.玉米是雌雄同株异花的单子叶植物 ,是生产和科研的好材料。现有两个玉米品种 ,其基因型分别为yyRr和Yyrr。科学家将它们的花粉除去细胞壁后进行原生质体融合 ,再把这些融合细胞进行组织培养 ,培育出了玉米新品种。请答复以下问题：(1)上述育种方法采用了_技术 ,这项研究的意义是_。(2)在植物组织培养的培养基中除了有必要的营养物质外 ,还必须添加_。培养过程中 ,融合细胞首先通过细胞分裂形成_ ,这个过程

25、叫_。(3)在植物组织培养一段时间后 ,发现不同细胞所含蛋白质种类和数量有明显差异 ,其原因是_。(4)两个品种的花粉进行原生质体融合后 ,可产生_种基因型的融合细胞(仅考虑两两融合) ,这些融合细胞再经过组织培养可以得到_种不同于亲本表现型的玉米新品种。答案(1)植物体细胞杂交和植物组织培养克服了远缘杂交不亲和的障碍(2)植物激素(细胞分裂素和生长素)愈伤组织脱分化(3)基因的选择性表达(4)62解析利用两个植物细胞融合培育新植株的技术为植物体细胞杂交 ,该技术可解决不同物种间因存在生殖隔离而不能自然杂交的问题。在细胞分化过程中 ,由于细胞内基因的选择性表达 ,合成了不同种类的蛋白质。植株y

26、yRr可产生基因组成为yR和yr的两种花粉 ,植株Yyrr可产生基因组成为Yr和yr的两种花粉 ,考虑同种和不同种花粉间的两两融合 ,可获得6种基因型的融合细胞 ,即yyRR、yyrr、YYrr、yyRr、YyRr、Yyrr ,这些细胞经过培养后得到的新品种中 ,共有4种表现型 ,其中有2种与亲本不同。13.通过细胞工程技术 ,利用甲、乙两种植物的各自优势(甲耐盐、乙高产) ,培育高产耐盐的杂种植株。请完善以下实验流程并答复以下问题：(1)A是_酶 ,B是_ ,D是具有_优良性状的胚状体或丛芽。D长成的幼苗需要选择的原因是_。(2)由C形成植株的过程利用了_技术 ,形成愈伤组织需要经过_过程 ,愈伤组织形成D需要经过_过程。整个培养过程要在_条件下进行。(3)植物体细胞融合成功的标志是_。目前植物体细胞杂交还存在许