第1节第1课时植物细胞工程的基本技术

解读章首图文培养学习志向·勇担社会责任在日常生活中，很多学生接触过以克隆为题材的书籍、科幻电影等，他们一定对相关的原理和技术步骤充满了好奇。本章的章引言通过创设我国科学家成功培育克隆猴“中中”和“华华”的情境，把学生带入细胞工程的高科技领域。由情境提出的问题“你知道它们是如何培育出来的吗？”正是学生感兴趣的地方，可以促使他们主动学习、寻找答案。另外两个问题同样启发学生思考，并且指向了这项凝聚着我国科学家智慧与汗水的研究成果的重要意义，力图使学生在学习知识的同时，也接受爱国主义教育。章题图是“中中”和“华华”的照片。两只俏皮可爱的小猴，让整个情境鲜活起来，拉近了它与学生的距离。章首页的下方是细胞工程的定义。理清本章架构初识概念体系·具备系统思维第1节

植物细胞工程第1课时植物细胞工程的基本技术学有目标——课标要求必明记在平时——核心语句必背1.概述植物组织培养的原理和过程。2.概述植物体细胞杂交技术的原理和过程。3.尝试进行植物组织培养。1.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.植物组织培养的原理是植物细胞的全能性，主要过程包括脱分化和再分化。3.生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。4.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，接种过程进行严格的无菌操作。[主干知识梳理]一、植物细胞的全能性1．概念：细胞经分裂和分化后，仍然具有_________________或____________________的潜能。2．生长发育过程中细胞没有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

。产生完整生物体分化成其他各种细胞选择性地表达二、植物组织培养技术1．概念：将

的植物器官、组织或细胞等，培养在

上，给予适宜的培养条件，诱导其形成

的技术。2．全能性表达过程(1)脱分化：已经分化的细胞经过诱导后，失去其特有的

，转变成未分化细胞的过程。(2)再分化：脱分化产生的__________，在一定的培养条件下，重新分化成

，进而发育成完整的小植株。(3)激素的作用：植物激素中

和

是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。离体人工配制的培养基完整植株结构和功能愈伤组织芽、根等器官生长素细胞分裂素3．组织培养操作流程三、植物体细胞杂交技术1．概念：将

的植物体细胞，在一定条件下融合成

，并把杂种细胞培育成

的技术。2．过程不同来源杂种细胞新植物体(1)去壁：用

去除植物细胞壁，获得原生质体。(2)诱导原生质体融合的方法。①物理法：

法、

法等。②化学法：

融合法、

融合法等。3．意义：打破生殖隔离，实现

育种，培育植物新品种。纤维素酶和果胶酶电融合离心聚乙二醇(PEG)高Ca2＋-高pH远缘杂交[边角知识发掘]1．(教材第35页图2­1拓展训练)观察植物组织培养流程图，将①～④序号填写在图中A～D所指的空格处。①诱导生根②接种外植体③诱导愈伤组织

④诱导生芽提示：A.②

B．③

C．④

D．①2．(教材第38页“练习与应用”1题拓展训练)下图是利用甲、乙两种植物的各自优势，通过植物细胞工程技术培育高产、耐盐的杂种植株的实验流程图。(1)图中a、b、c、d分别表示什么？提示：a表示用纤维素酶和果胶酶处理植物细胞；b表示诱导融合后得到的杂种细胞；c表示培养后得到的具有耐盐性状的幼芽；d表示要将植株种在高盐环境中进行选择。(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c需要经过

过程。(3)植物体细胞融合成功的标志是

。植物组织培养脱分化再分化杂种细胞再生出细胞壁[教材问题提示]探究·实践(教材第36～37页“结果分析与评价”)1．用于植物组织培养的培养基同样适合某些微生物的生长，如一些细菌、真菌等。培养物一旦受到微生物的污染，就会导致实验前功尽弃，因此接种过程要进行严格的无菌操作。导致外植体被污染的原因可能有培养基、接种工具灭菌不彻底；外植体消毒不彻底；操作过程不符合无菌操作的要求等。2．观察实验结果，看看是否培养出了愈伤组织，记录多长时间长出了愈伤组织。从刚接种的外植体到长出愈伤组织一般需要2周左右的时间。统计更换培养基后愈伤组织进一步分化成芽和根的比例及时间。3．做好统计和对照，填好结果记录表，培养严谨的科学态度。从实验的第一步开始就要做好实验记录，可以分组配制不同的培养基，如诱导愈伤组织的培养基、诱导生芽的培养基等，还可以进行不同配方的比较。4．新移栽的组培苗要在温室过渡几天，待其长壮后再移植到大田或盆中。可以在课后统计移栽的成活率，看看移栽是否合格。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？提示：避免杂菌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．在组织培养过程中，诱导愈伤组织的培养基、诱导生芽的培养基和诱导生根的培养基的成分有什么不同？提示：三种培养基成分中生长素和细胞分裂素用量的比例不同。4．诱导愈伤组织期间一般不需要光，后续培养过程中，为什么每日要给予适当时间和强度的光照？提示：后续培养过程中，给予适当时间和强度的光照的目的是诱导叶绿素的形成，进一步形成叶绿体进行光合作用。5．若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？提示：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的细胞，所以愈伤组织中不含有叶绿体。[师说重难]

一、植物细胞的全能性1．细胞具有全能性的原因一般生物体的每一个细胞都包含该物种所特有的全套遗传物质，都具有发育成为完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。2．细胞全能性大小的比较(1)植物细胞>动物细胞(动物细胞只有细胞核具有全能性)。(2)受精卵>生殖细胞(精子、卵细胞)>体细胞。(3)体细胞：分化程度低的>分化程度高的，细胞分裂能力强的>细胞分裂能力弱的，幼嫩的细胞>衰老的细胞。3．植物细胞表现全能性的条件(1)离体状态：器官、组织或细胞。(2)营养物质：种类齐全、比例合适。(3)植物激素：生长素、细胞分裂素。(4)外界条件：适宜的温度、pH和光照(愈伤组织的形成和生长需要避光培养，分化培养需照光)等。(5)无菌操作。二、植物组织培养1．植物组织培养的过程(1)外植体：用于植物组织培养的离体的植物器官、组织或细胞。(2)脱分化：已经分化的细胞，经过诱导，失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞的过程。(3)愈伤组织：细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、呈无定形状态的薄壁细胞团。(4)再分化：脱分化产生的愈伤组织重新分化成根、芽等器官的过程。2．植物组织培养技术的注意事项(1)外植体的选择与制备①外植体的选择：外植体脱分化的难易程度因植物种类、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、叶和成熟的组织脱分化较难。②制备外植体首先要消毒，其次要选取有形成层的部分，因为形成层细胞易脱分化。(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。在愈伤组织的诱导阶段往往要避光培养，有利于细胞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)；当愈伤组织分化出芽和叶时，一定要有光照，有利于叶片内叶绿素的合成。(4)植物激素的使用生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素，两类激素的浓度及用量的比例等都会影响实验结果。(三)菊花的组织培养实验结果分析与评价1．选材是否恰当(1)年龄：一般情况下，外植体的年龄越小，分化的程度越低，组织培养的成功率就越高。因此，尽量选择幼嫩的植物组织或器官作为外植体。(2)大小：外植体过小或过大都不合适，过小的外植体极容易死亡，过大的外植体不容易消毒。因此，要选择大小适中的外植体。(3)所在部位：一般选择植物的芽尖、根尖或幼嫩的茎作为外植体，这些部位的组织细胞分裂能力强，容易形成愈伤组织。2．无菌技术是否过关无菌技术是植物组织培养获得成功的关键。植物组织培养中的无菌技术包括培养基的灭菌、外植体的消毒及接种过程的无菌操作等。3．是否设置对照组和重复组(1)通过设置重复组和对照组可以选出最佳的实验材料、最合适的培养基配方，也可以找出实验失败的原因。如设置对照实验时可以取一个经过灭菌的装有培养基的锥形瓶，与接种后的锥形瓶一同培养，用以说明培养基配制是否合格，有没有被杂菌污染。(2)不同组的同学可以设置不同浓度的植物激素，比较植物生长的速度。4．对接种操作中污染情况的分析污染种类细菌污染真菌污染污染原因可能是操作人员造成的，如未戴口罩、接种时说话、手消毒或器械灭菌不彻底等可能是植物材料消毒不当引起的处理措施将被污染的培养瓶统一放在高压蒸汽灭菌锅内进行灭菌，然后再打开培养瓶进行清理[在应用中悟][典例1]植物细胞表现出全能性的必要条件和增殖方式分别是 (

)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[解析]植物细胞表现全能性的条件：①离体的器官、组织或细胞和适宜的外界条件；②一定的营养(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，包括脱分化和再分化两个重要的过程，在这两个过程中细胞都是通过有丝分裂方式进行增殖的。[答案]

D[典例2]下面是植物组织培养过程示意图，下列相关说法正确的是 (

)

A．上述植物组织培养过程依据的生物学原理是植物细胞具有全能性B．需要对外植体进行严格的灭菌处理，以防止杂菌污染C．外植体若是月季的花药，则图中的①过程需要光照D．外植体若是菊花的根尖组织，因细胞中没有叶绿体，故培养成的新植株叶片无色[解析]植物组织培养依据的原理是植物细胞具有全能性，A正确；外植体一般只消毒，不进行灭菌处理，以保持外植体的活性，B错误；①过程是脱分化过程，月季花药的脱分化过程不需要光照且应避光培养，当愈伤组织分化出芽和叶时才需要光照，C错误；菊花根尖组织中含有控制叶绿体形成的基因，在培养过程中，基因的选择性表达会使培养成的新植株叶片呈绿色，D错误。[答案]

A[名师点睛]植物激素对组织培养的影响(1)由愈伤组织进行细胞分化时，一般要先诱导其生芽，然后诱导其生根，可通过控制培养基中生长素和细胞分裂素用量的比例来实现。(2)生长素和细胞分裂素用量的比例影响植物细胞的发育方向。生长素用量/细胞分裂素用量结果比值高有利于根的分化，抑制芽的形成比值低有利于芽的分化，抑制根的形成比值适中促进愈伤组织的形成[在训练中评]1．下列有关菊花组织培养的叙述，错误的是 (

)A．外植体一般选自于未开花植株的茎上部新萌生的嫩枝B．为充分利用培养条件，每个锥形瓶可接种6～8个外植体C．培养形成的愈伤组织可继续在原培养基中分化形成植株D．外植体接种前常进行流水冲洗、酒精处理、消毒液处理等消毒措施解析：在以快速繁殖为主要目的时，菊花未开花植株的茎上部新萌生的侧枝是最为常用的外植体，因为该处细胞分裂能力强、分化程度低，全能性容易表达，A正确；为充分利用培养条件，每个锥形瓶可接种6～8个外植体，接种后，将封口膜重新扎好，B正确；培养形成的愈伤组织需要转移到分化培养基中才能再分化后形成植株，C错误；外植体接种前常进行流水冲洗、酒精处理、消毒液处理等消毒措施，为了避免酒精和消毒液的危害，需要用无菌水冲洗2～3次，D正确。答案：C

2．下图为烟草植物组织培养过程。有关叙述正确的是 (

)

A．对过程①获取的根组织块应做较彻底的灭菌处理B．过程②应使用适宜的培养基，在有光环境中进行C．过程③发生脱分化，其实质是基因的选择性表达D．从根组织块到幼苗形成的过程说明植物根细胞具有全能性解析：植物组织培养技术应在无菌条件下进行，过程①为获取外植体，所以对过程①应做消毒处理，而彻底灭菌会导致组织细胞死亡，A错误；过程②为脱分化，需要避光，而再分化过程需要光照，B错误；过程③表示再分化，C错误；由植物细胞到完整个体的过程能说明植物细胞具有全能性，D正确。答案：D

3．菊花的组织培养需要严格的无菌操作，下列说法错误的是 (

)A．对菊花茎段进行组织培养，不用添加植物激素B．幼苗要先移植到消过毒的蛭石或者珍珠岩等环境下生活一段时间C．材料的年龄、保存时间的长短等都会影响植物组织培养的效果D．将菊花茎段插入时应注意方向，不应倒插解析：对菊花茎段进行组织培养时，需要添加植物激素，如生长素、细胞分裂素，A错误；植物组织培养形成的幼苗光合能力较弱，需先移植到消过毒的蛭石或者珍珠岩等环境下生活一段时间，再移栽到土壤，B正确；植物材料的选择直接关系到实验的成功与否，材料的年龄、保存时间的长短等都会影响植物组织培养的效果，C正确；将菊花茎段插入时应注意方向，不应倒插，因为生长素是极性运输的，正向插入可提高幼苗的成活率，D正确。答案：A

[师说重难]

一、植物体细胞杂交1．植物体细胞杂交的原理原生质体融合的过程利用了细胞膜的流动性，杂种细胞发育成杂种植株利用了植物细胞的全能性。2．植物组织培养和植物体细胞杂交的比较名称植物组织培养植物体细胞杂交原理植物细胞的全能性细胞膜具有一定的流动性和植物细胞的全能性过程选材选取根尖、茎尖等幼嫩部位不同植物体细胞技术操作脱分化、再分化等除脱分化、再分化外，还要用酶解法去除细胞壁，用一定的方法诱导细胞融合关系植物组织培养是植物体细胞杂交的基础，植物体细胞杂交所用的技术更复杂续表二、有关植物体细胞杂交的几点说明1．植物体细胞融合的障碍：细胞壁。可以用纤维素酶和果胶酶去除。2．植物体细胞融合成功的标志：产生新的细胞壁。在此过程中高尔基体与细胞壁的形成有关，同时该过程还需要线粒体提供能量。3．植物体细胞杂交的结果：产生新的植株。4．融合后的杂种细胞筛选假设用于杂交的两种植物细胞分别为A、B，则诱导融合后的产物有三类：未融合的细胞(A和B)；两两融合的细胞(AA、BB和AB)；多细胞融合体。两两融合的细胞中，只有AB型细胞是我们需要的杂种细胞，所以要进行筛选。5．植物体细胞杂交的生殖方式：无性生殖。6．遗传物质的变化：经植物体细胞杂交形成的杂种细胞虽然具有两种细胞的遗传物质，但这些遗传物质并不一定都能表达。其遗传物质的传递不遵循孟德尔遗传规律。[在应用中悟][典例1]下面为“番茄—马铃薯”的培育过程示意图，下列有关叙述正确的是

(

)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[解析]

在进行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错误；a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞膜具有一定的流动性，诱导a、b细胞融合的化学试剂一般是聚乙二醇，C正确，B错误；d、e分别为脱分化和再分化，D错误。[答案]

C[典例2]下图是植物体细胞杂交过程示意图，如果A、B植物均为二倍体，据图分析回答下列问题：(1)图中所示过程的原理有________________________________________________________________________________________________________。(2)图中的①过程是______________________________________________。(3)植物体细胞融合成功的标志是___________________________________，其产生与细胞内____________(细胞器)有关。(4)③和④过程分别是______和______过程。则该杂种植株有_____个染色体组。[解析]

(1)植物体细胞杂交过程中有原生质体A和原生质体B的融合过程，其原理是细胞膜具有流动性；将杂种细胞培育成新的个体，其原理是植物细胞具有全能性。(2)图中的①过程是去除植物细胞壁，制备原生质体。(3)植物体细胞融合成功的标志是形成新的细胞壁，植物细胞壁的形成与高尔基体有关。(4)杂种细胞通过脱分化形成愈伤组织，经再分化形成杂种植株。图中杂种植株是由两个二倍体细胞融合成的杂种细胞培育成的新个体，含有四个染色体组。[答案]

(1)细胞膜具有流动性、植物细胞具有全能性(2)(去壁)制备原生质体(3)形成新的细胞壁高尔基体(4)脱分化再分化四[在训练中评]1．紫花苜蓿产量高，营养丰富，但耐酸性差，作为饲料易造成家畜臌胀病；百脉根耐酸性强，叶片因富含缩合单宁可防止反刍动物臌胀病的发生。研究人员通过植物体细胞杂交最终获得抗臌胀病的新型苜蓿。下列叙述错误的是

(

)A．植物体细胞杂交过程中需要先用酶解法去除细胞壁获得原生质体B．诱导原生质体融合的方法有物理诱导、化学诱导和生物诱导三种C．抗臌胀病的新型苜蓿与紫花苜蓿、百脉根均不属于同一物种D．体细胞杂交育种的过程体现了细胞膜的流动性和细胞的全能性解析：由于植物细胞外面有一层细胞壁，这层细胞壁阻碍着细胞间的杂交，因此在进行体细胞杂交之前必须先利用纤维素酶和果胶酶去除这层细胞壁，获得具有活力的原生质体，A正确。诱导原生质体融合的方法有物理法和化学法两种，B错误。抗臌胀病的新型苜蓿与紫花苜蓿、百脉根均存在生殖隔离，均不属于同一物种，C正确。植物体细胞杂交技术中，不同来源的植物体细胞通过细胞融合技术形成杂种细胞体现了细胞膜的流动性；利用植物的组织培养技术将杂种细胞培育成杂种植株体现了植物细胞的全能性，D正确。答案：B

2．毛花猕猴桃为二倍体，果实大，维生素C含量高；软枣猕猴桃为四倍体，极耐寒，在－40℃下可安全越冬。某农科所利用这两种猕猴桃的体细胞，通过细胞工程的方法培育出了猕猴桃新品种，培育过程如下图所示。下列说法错误的是

(

)A．过程①需将体细胞用含纤维素酶和果胶酶的等渗溶液处理B．灭活的仙台病毒不能用于过程②中a和b的诱导融合C．愈伤组织形成试管苗须经脱分化和再分化两个过程D．处于有丝分裂后期的杂种植株体细胞中有12个染色体组解析：过程①为利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁获得原生质体的过程，该过程需要在等渗溶液中进行，以维持原生质体的形态和功能，A正确；过程②为植物原生质体的融合过程，其诱导方法有PEG融合法、离心法、电融合法等，灭活的仙台病毒是诱导动物细胞融合的手段，不能用于植物原生质体的融合，B正确；愈伤组织形成试管苗属于再分化过程，C错误；毛花猕猴桃为二倍体，软枣猕猴桃为四倍体，将二者进行植物体细胞杂交得到的杂种植株为六倍体，处于有丝分裂后期的该植株体细胞中有12个染色体组，D正确。答案：C科学思维——归纳比较植物体细胞杂交和多倍体育种项目植物体细胞杂交多倍体育种不同点原理细胞膜的流动性和植物细胞的全能性染色体数目变异方法通过原生质体融合和植物组织培养得到杂种植株常用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，使染色体数目加倍染色体来源和数目变化通过植物体细胞杂交得到的(杂种)植株中染色体数目是两融合细胞中的染色体数目之和，且染色体一般来自两种不同的植物体通过染色体加倍得到的多倍体植株中的染色体数与原植株中的染色体数是倍数关系，且染色体来自同一个体，加倍的是同源染色体相同点通过改变细胞或植株染色体的数目来改变遗传物质，从而改变生物体的性状，从中选育出符合人们要求的新品种[素养评价]1．通过下列育种方法产生的后代，其染色体数一般会发生改变的是

(

)A．单倍体育种

B．植物体细胞杂交育种C．杂交育种

D．转基因育种解析：单倍体育种过程中，单倍体幼苗的细胞中染色