2024年高中生物新教材同步选择性必修第三册 第2章 第1节 第1课时 植物细胞工程的基本技术

第1节植物细胞工程第1课时植物细胞工程的基本技术[学习目标]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的原理和过程。一、细胞工程概念及植物组织培养技术1．细胞工程(1)概念：应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。(2)分类：依据操作对象分为植物细胞工程和动物细胞工程。2．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)在生物的生长发育过程中，并不是所有细胞都表现出全能性的原因：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。3．植物组织培养：将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。这些离体培养的植物器官、组织或细胞被称为外植体。4．菊花的组织培养(1)原理①理论基础：植物细胞的全能性。②相关概念愈伤组织：细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、不定形的薄壁组织团块。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而转变成未分化细胞的过程。再分化：愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。③激素的作用：植物激素中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，它们的浓度、比例等都会影响植物细胞的发育方向。(2)步骤判断正误(1)植物体的任何细胞都具有全能性，也都能表现出全能性()(2)在植物组织培养时，对外植体要进行灭菌处理()(3)若用菊花茎切段作为外植体，应将其形态学上端插入诱导愈伤组织的培养基中()(4)诱导生芽的培养基和诱导生根的培养基完全一样()答案(1)×(2)×(3)×(4)×解析(1)植物细胞虽然具有全能性，但并不是所有细胞都能表达全能性，细胞全能性的表达需要一系列条件。(2)在植物组织培养时，对外植体要进行消毒处理。(3)若用菊花茎切段作为外植体，应将其形态学下端插入诱导愈伤组织的培养基中。(4)生长素与细胞分裂素的比值高时，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，因此诱导生芽的培养基和诱导生根的培养基不完全相同。任务一：植物组织培养的过程和条件1．请结合图中植物组织的变化，思考回答下列问题：(1)概括出植物组织培养的技术流程图。提示外植体eq\o(→,\s\up7(脱分化))愈伤组织eq\o(→,\s\up7(再分化))芽、根等→试管苗eq\o(→,\s\up7(驯化移栽))完整植株。(2)图中的愈伤组织细胞与叶肉细胞相比，不含有的细胞器是什么？原因是什么？提示不含有叶绿体；因为外植体经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化的细胞，因此，愈伤组织细胞中不含有叶绿体。2．请结合菊花组织培养的实验步骤，思考回答下列问题：(1)为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作？提示避免杂菌与培养物竞争营养，且有些杂菌会危害培养物的生长。(2)菊花组织培养过程中，诱导外植体脱分化形成愈伤组织的培养基，其成分中是否应含有蔗糖等有机物？为什么？提示应含有蔗糖等有机物；因为此时外植体不能进行光合作用制造有机物，需要依赖于环境中的有机物才能生存。(3)高度分化的细胞是如何启动细胞分裂、脱分化和再分化的？提示是在一定的激素和营养等条件的诱导下启动的。(4)在植物组织培养的过程中，如何控制光照条件？提示脱分化过程中一般不需要光照，但是再分化过程中需要给予适当时间和强度的光照。1．植物组织培养的条件：(1)离体；(2)无菌；(3)培养基(种类齐全、比例合适的营养物质及一定比例的植物激素)；(4)适宜的培养条件(温度、光照等)。2．生长素和细胞分裂素用量的比例对植物细胞发育方向的影响生长素用量与细胞分裂素用量的比值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[拓展阅读]愈伤组织的细胞排列疏松且无规则，是一种高度液泡化的无定形状态的细胞。愈伤组织形成以后，如果在原来的培养基上继续培养，就会由于培养基中养分不足或产生有毒代谢物，导致愈伤组织生长停止，甚至老化变黑乃至死亡。如果要愈伤组织继续生长增殖，必须定期地将它们分成小块，接种到新鲜的培养基上，这样愈伤组织就可以长期保持旺盛的生长。愈伤组织的再分化主要有两种方式：一种是不定芽方式，就是在某些条件下，愈伤组织的细胞发生分化，形成不同的器官原基，再逐渐形成芽和根；另一种是胚状体方式，就是由愈伤组织诱导分化出的具有胚芽、胚根、胚轴的类似胚的结构。能够产生胚状体的愈伤组织常见于胡萝卜、芦笋、玉米和小麦等植物。1．(2023·江苏南通高二期中)下列关于菊花组织培养的叙述，正确的是()A．用自然生长的茎进行组织培养需要用适宜浓度的乙醇和次氯酸钠的混合液消毒B．培养瓶用专用封口膜封口可防止外界杂菌侵入并阻止瓶内外的气体交换C．再生植株需要去除根部残留的培养基进行锻炼后才能移种大田D．试管苗锻炼时采用蛭石作为栽培基质的原因是蛭石带菌量低且营养丰富答案C解析自然生长茎段的消毒属于外植体消毒，先用体积分数为70%的酒精消毒，用无菌水清洗，再用质量分数为5%的次氯酸钠溶液处理，最后再用无菌水清洗，A错误；培养瓶用专用封口膜封口的目的是防止杂菌污染，并不影响气体交换，B错误；试管苗生存能力较弱，需要进行锻炼，采用蛭石作为栽培基质的原因是蛭石保水透气，蛭石不含营养，D错误。2．如图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答案A解析外植体一般只消毒，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，当愈伤组织再分化形成芽和叶时才需要适当时间和强度的光照，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。二、植物体细胞杂交技术1．概念：将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。2．过程(1)去壁：用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁，获得原生质体。(2)人工诱导原生质体融合的方法①物理法：电融合法、离心法等。②化学法：聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。3．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。4．意义：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。判断正误(1)植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种细胞()(2)植物体细胞杂交利用了植物组织培养技术()(3)植物原生质体融合的原理是植物细胞的全能性()(4)利用物理法或化学法可以直接诱导两个植物细胞融合()答案(1)×(2)√(3)×(4)×解析(1)植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种植株。(3)植物原生质体融合的原理是细胞膜具有一定的流动性。(4)两个植物细胞需要先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，再用物理法或化学法诱导原生质体融合。任务二：植物体细胞杂交技术1．A种原生质体与B种原生质体融合后，有哪几种类型(只考虑两两融合)？而我们需要的是哪种类型？所以原生质体融合后，我们要进行怎样的处理？提示有3种类型：AA、BB、AB。我们需要的是AB。要对融合后的原生质体进行筛选。2．若A细胞具有2x条染色体，2个染色体组，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，则通过植物体细胞杂交技术获得的新植株的染色体条数：2x＋2y；染色体组数：4个；基因型：AabbccDd；属于可遗传变异类型中的染色体数目变异。3．“番茄—马铃薯”杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上结番茄，地下结马铃薯，这是为什么？提示生物体内基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以“番茄—马铃薯”杂种植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，但这些遗传物质的表达相互干扰，它们不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达。特别提醒(1)原生质体融合成功的标志是再生出细胞壁。植物体细胞杂交完成的标志是培育出杂种植株。(2)植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖溶液且浓度略大于原生质体内的浓度，这样不仅能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。3．(2022·天津静海一中高二期末)如图表示利用植物体细胞杂交技术获得杂种植株白菜—甘蓝的过程，下列有关说法错误的是()A．①过程表示利用酶解法去除细胞壁获得原生质体的过程B．②过程可用聚乙二醇诱导原生质体融合C．③过程中高尔基体活动旺盛D．最终获得的杂种植株体细胞内含19条染色体答案D解析最终获得的杂种植株体细胞内含有两个亲本的全部遗传物质，即含有20＋18＝38(条)染色体，故D项错误。4．如图为植物体细胞杂交技术的流程图，其中甲和乙分别表示两种二倍体植物细胞，所含有的染色体组分别是AA和BB。据图分析，下列叙述正确的是()A．经过程①获得的a、b称为原生质体，过程②利用了细胞膜的选择透过性B．c细胞只有AABB这一种类型C．过程③和④分别是脱分化和再分化D．获得的植株d，因为在减数分裂时同源染色体能正常配对，所以理论上是可育的答案D解析过程②利用细胞膜的流动性，A错误；若只考虑两两融合，则融合的细胞有三种类型：AAAA、BBBB、AABB，B错误；过程④和⑤分别是脱分化和再分化，C错误；通过植物体细胞杂交获得的植株d，因为细胞中有同源染色体存在，在减数分裂时，同源染色体能正常配对，所以理论上是可育的，D正确。题组一细胞的全能性1．(2023·江苏南京高二期末)下列有关细胞全能性的叙述，正确的是()A．玉米种子萌发长成新植株，说明植物细胞具有全能性B．植物体只有体细胞才具有发育成完整个体所必需的全部基因C．用花粉培育成的植株往往高度不育，说明花粉细胞不具有全能性D．利用植物组织培养技术培育花卉的原理是植物细胞具有全能性答案D解析玉米种子萌发长成新植株属于自然生长过程，不能体现细胞的全能性，A错误；植物体的体细胞和生殖细胞都具有发育成完整个体所必需的全部基因，B错误；用花粉培育成植株，可体现花粉细胞具有全能性，C错误。2．利用植物的花瓣就能培育出完整的植株，下列相关叙述不正确的是()A．组成花瓣的细胞具有全能性B．花瓣细胞中有个体发育所需要的全套遗传物质C．利用花瓣培育出完整的植株涉及细胞分裂和细胞分化D．在生物的生长发育过程中，细胞都能表现出全能性答案D解析花瓣细胞属于植物的体细胞，因其细胞中具有个体发育所需要的全套遗传物质，所以花瓣细胞具有全能性，A、B正确；在生物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都能表现出全能性，而是分化为各种组织和器官，由花瓣培育出完整植株，其前提是花瓣必须离体培养，且处于适宜的培养条件下，在培养过程中涉及细胞分裂和细胞分化，C正确，D错误。题组二植物组织培养3．(2023·陕西咸阳高二期中)地钱具有重要的药用价值，可用植物组织培养的方法进行快速人工繁育。下列有关此过程的叙述不正确的是()A．发生了细胞的脱分化、再分化B．形成的愈伤组织分化程度较高C．脱分化过程中需要避光培养D．若发生杂菌污染则难以获得目的植株答案B解析愈伤组织细胞为未分化的薄壁细胞，B错误。4．(2023·河北张家口高二期中)关于“菊花的组织培养”的实验操作，下列说法错误的是()A．培养基连同其他器械一起进行高压蒸汽灭菌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．培养基中生长素与细胞分裂素含量的比值显著高于1时，可促进愈伤组织分化出根D．接种时用镊子夹取菊花茎段全部插入培养基中即可答案D解析接种时用镊子夹取菊花茎段，将其1/3～1/2插入培养基中，注意形态学上端朝上，D错误。5．(2023·辽宁大连高二月考)下列关于植物组织培养的叙述，错误的是()A．培养基中添加蔗糖可以提供营养和调节渗透压B．过程甲、乙中生长素与细胞分裂素含量的比值相同C．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细胞核基因数目可能不同D．过程乙的实质是基因的选择性表达答案B解析甲表示脱分化过程，乙表示再分化过程，两过程中生长素和细胞分裂素含量的比值不同，B错误；同一植株不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织细胞核基因数目不一定相同，如花粉细胞经培养形成的愈伤组织细胞的核基因数目只有体细胞的一半，C正确。题组三植物体细胞杂交技术6．设计植物体细胞杂交实验是为获得性状优良的新品种作物，通常不需要考虑的是()A．选择具有优良性状的亲本B．选择去除细胞壁的酶C．亲本间存在的生殖隔离D．培养基中生长素和细胞分裂素的浓度及比例答案C解析植物体细胞杂交技术可打破生殖隔离，实现不同生物间的远缘杂交育种，故通常不需要考虑亲本间存在的生殖隔离，C符合题意。7．如图为“番茄—马铃薯”杂种植株幼苗的培育过程，下列有关叙述错误的是()A．通常在等渗溶液中用酶解法处理植物细胞获得原生质体a和bB．诱导原生质体a、b融合的化学方法有聚乙二醇、高Ca2＋—高pH融合法等C．可根据质壁分离现象鉴别杂种细胞的细胞壁是否再生D．上述过程中包含了有丝分裂、细胞分化和减数分裂等过程答案D解析①为去除细胞壁的过程，植物体细胞杂交的实质是植物原生质体的融合，所以在融合前需要使用酶解法(纤维素酶和果胶酶)去除植物的细胞壁，获得植物的原生质体，为了获得植物的原生质体，操作一般在等渗溶液或略大于细胞液浓度的溶液中进行，维持去除细胞壁的原生质体的形态，A正确；利用聚乙二醇、高Ca2＋—高pH融合法等化学方法可诱导原生质体a、b融合，B正确；融合后的杂种细胞再生出新的细胞壁是原生质体融合完成的标志，故可利用质壁分离现象鉴别细胞壁是否再生，C正确；图中①至⑤过程表示植物体细胞杂交，涉及细胞的分裂和分化，但不涉及有性生殖过程的减数分裂，D错误。8．(2022·北京顺义高二期末)科研工作者通过植物体细胞杂交技术获得“番茄—马铃薯”杂种植株，但该种植株并没有发育成地上结番茄、地下长马铃薯的理想植株，下列最可能的原因是()A．实验中不宜采用聚乙二醇促进细胞融合B．在植物组织培养操作中细胞被微生物感染C．两种生物的基因直接或间接相互作用的结果D．在植物组织培养中激素的种类及比例设计不合理答案C解析基因影响性状，通过植物体细胞杂交技术获得“番茄—马铃薯”杂种植株，但这种植株并没有发育成地上结番茄、地下长马铃薯的理想植株，原因可能是两种生物的基因直接或间接相互作用，导致基因不能有序表达，C符合题意。9．通过植物细胞工程技术，可利用甲高产不耐盐、乙低产耐盐的两种二倍体植物培育高产耐盐的杂种植株，实验流程如图所示。下列叙述正确的是()A．①通常将植物细胞置于含纤维素酶和果胶酶的低渗溶液中处理B．②到③的过程中，杂种细胞内高尔基体和线粒体活动明显增强C．由④到目的植株需进一步筛选的原因是④中含有高产不耐盐品种D．目的植株相对于甲、乙而言发生了染色体数目变异导致植株不可育答案B解析①是利用纤维素酶和果胶酶获取原生质体的过程，该过程需要在等渗溶液或略大于细胞液浓度的溶液中进行，以维持原生质体的形态和功能，A错误；②到③的过程是融合细胞再生出细胞壁的过程，而高尔基体与植物细胞壁的形成有关，线粒体可为该过程提供能量，故杂种细胞内高尔基体和线粒体活动明显增强，B正确；④是筛选获得的具有耐盐特性的胚状体，但不能确定其是高产还是低产，故需要进一步筛选，C错误；甲、乙是二倍体植株，通过植物体细胞杂交技术获得的目的植株是四倍体，理论上是可育的，D错误。10．植物体细胞通常被诱导为愈伤组织后才能表现全能性。研究发现，愈伤组织的中层细胞是根或芽再生的源头干细胞，其在不同条件下，通过基因的特异性表达调控生长素、细胞分裂素的作用，表现出不同的效应(如表)。已知生长素的生理作用大于细胞分裂素时有利于根的再生；反之，有利于芽的再生。下列推论不合理的是()条件基因表达产物和相互作用效应①WOX5维持未分化状态②WOX5＋PLT诱导出根③WOX5＋ARR2，抑制ARR5诱导出芽A.WOX5失活后，中层细胞会丧失干细胞特性B．WOX5＋PLT可能有利于愈伤组织中生长素的积累C．ARR5促进细胞分裂素的积累或提高细胞对细胞分裂素的敏感性D．体细胞中生长素和细胞分裂素的作用可能相互抑制答案C解析根据表格信息可知，WOX5能维持细胞未分化状态，若WOX5失活后，中层细胞会丧失干细胞分裂能力强、分化程度低的特性，A合理；生长素的生理作用大于细胞分裂素时有利于根的再生，再结合表格信息，WOX5＋PLT可诱导出根，可推测WOX5＋PLT可能有利于愈伤组织中生长素的积累，B合理；生长素的生理作用小于细胞分裂素时有利于芽的再生，而抑制ARR5能诱导出芽，故可推测ARR5抑制细胞分裂素的积累或降低细胞对细胞分裂素的敏感性，C不合理；由题干信息可知，出芽或出根都是生长素与细胞分裂素含量不均衡时才会发生，故可推测体细胞中生长素和细胞分裂素的作用可能相互抑制，D合理。11．(2023·江苏淮安高二检测)组培苗在移栽前一般需要炼苗，目的是提高组培苗对外界环境条件的适应性。如图是不同炼苗方式组合对白兰地红枫组培苗移栽存活率的影响，下列有关叙述不正确的是()A．炼苗初期的环境应与培养时的环境条件相似，不能与室外环境相同B．开盖炼苗期间应控制的环境条件为：无菌、无光，并保持一定的湿度C．图中白兰地红枫组培苗的最佳炼苗方式是闭盖炼苗6d后，再开盖炼苗2dD．白兰地红枫组培苗的移栽存活率随着闭盖炼苗时间的增加先升高后降低答案B解析炼苗前期应和培养时的环境条件相似；炼苗后期则要与外界环境中的栽培条件相似，从而达到逐步适应外界环境的目的，A正确；组织培养期间需要无菌操作，开盖炼苗期间不需要无菌的环境，应和外界环境中栽培条件相似，且长成幼苗后应照光，使幼苗进行光合作用，B错误；分析题图可知，闭盖炼苗6d后，再开盖炼苗2d，组培苗的移栽存活率最高，是白兰地红枫组培苗的最佳炼苗方式，C正确；分析题图可知，在相同开盖炼苗天数下，白兰地红枫组培苗的移栽存活率随着闭盖炼苗时间的增加先升高后降低，D正确。12．(2023·江苏盐城高二期末)紫花苜蓿是常用的豆科牧草，但易使家畜患鼓胀病；百脉根富含物质X，X可与紫花苜蓿中特定蛋白结合，抑制鼓胀病的发生。为培育抗鼓胀病的苜蓿新品种，我国科学家利用紫花苜蓿和百脉根为材料进行了实验，主要流程如图所示。下列叙述正确的是()A．①过程为使用纤维素酶和果胶酶处理植物细胞形成A、B两种原生质层B．为确保最终得到的F植株为新品种，可对②过程形成的C进行筛选和鉴定C．③过程中C的高尔基体活动性增强，D的形成是植物体细胞杂交完成的标志D．将细胞培养至E阶段即可研究物质X的作用，④过程需进行光照处理答案B解析植物体细胞杂交完成的标志是形成杂种植株，C错误；④过程是脱分化，该过程需要避光处理，D错误。13．如图表示菊花茎段细胞通过无菌操作接种到试管培养基上后，在一定的条件下，形成试管苗的培育过程。请据图回答下列问题：(1)要促进细胞分裂生长，培养基中应含有营养物质和激素。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，主要是指对进行灭菌处理。B阶段需要光照，原因是。(4)试管苗的根细胞