高考生物一轮复习选择性必修3第十单元生物技术与工程第48讲植物细胞工程学案

第48讲植物细胞工程【课标要求】1.阐明植物组织培养是在一定条件下，将离体植物器官、组织和细胞在适宜的培养条件下诱导形成愈伤组织，并重新分化，最终形成完整植株的过程。2.概述植物体细胞杂交是将不同植物体细胞在一定条件下融合成杂合细胞，继而培育成新植物体的技术。3.举例说明植物细胞工程利用快速繁殖、作物脱毒、次生代谢物生产、育种等方式有效提高了生产效率。考点一植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术1．细胞工程的概念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________________________的潜能，即细胞具有全能性。(2)影响全能性表达的原因：在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会____________________________________________________。(3)不同细胞的全能性比较。①体细胞全能性：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。②不同细胞的全能性：受精卵>生殖细胞>体细胞。③不同生物的细胞全能性：植物细胞>动物细胞。④全能性与细胞分化的关系：一般情况下，随着细胞分化程度的不断提高，细胞的全能性________________。3．植物组织培养技术(1)前提、条件和结果。[易错提醒]植物组织培养中所需的碳源一般为蔗糖。蔗糖既可提供充足的碳源，又可维持相对适中的渗透压。(2)培养过程：接种外植体eq\o(→,\s\up7(一定的营养、激素),\s\do5(脱分化))诱导______________eq\o(→,\s\up7(调整激素比例),\s\do5())诱导生芽、生根→完整植株。①脱分化：的细胞，经过脱分化，即失去其特有的而转变成未分化细胞的过程。②再分化：重新分化成等器官。（3）植物激素对植物组织培养的影响。生长素/细胞分裂素植物细胞的发育方向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简记：“高”根，“低”芽，“中”愈伤注：表中比值为同时使用这两类激素时，两者用量的比例。4．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新植物体的技术。（2）操作流程。[易错提醒]植物体细胞杂交属于无性生殖。（3）意义。植物体细胞杂交技术在打破、实现育种、培育植物新品种等方面展示出独特的优势。[答案自填]2.（1）分化成其他各种细胞（2）选择性地表达（3）④逐渐降低3.（1）离体完整植株（2）愈伤组织再分化①已经分化结构和功能②愈伤组织芽、根4.（1）不同来源杂种细胞（2）纤维素酶和果胶酶原生质体物理聚乙二醇（PEG）细胞壁（3）生殖隔离远缘杂交[教材命题点思考]1．在进行植物组织培养的实验时，要严格控制杂菌污染的原因是__________________________________________________________________。提示：杂菌在培养基上生长争夺营养，杂菌产生的物质影响植物组织的生长2．若想利用植物体细胞杂交技术培育出马铃薯—草莓杂种植株以提高土地的利用率，（填“能”或“不能”）把两物种细胞直接融合，理由是________________________________________________。提示：不能植物细胞外面有一层细胞壁，阻碍了细胞间的杂交（融合）[模型命题点思考]3．据下图分析植物体细胞杂交过程并回答下列问题。（1）如何根据细胞膜表面荧光判断该原生质体是由番茄和马铃薯细胞融合而成的？（2）图中③④都需要光照吗？提示：（1）融合的细胞表面既有红色荧光又有绿色荧光。（2）③脱分化阶段不需要给予光照，④再分化阶段需要给予光照，以利于叶绿素形成。1．植物组织培养与植物体细胞杂交的比较2．植物体细胞杂交和有性杂交的辨析考向1植物组织培养1．花药离体培养是重要的育种手段。下图是某二倍体植物花药育种过程的示意图，下列叙述正确的是（）A．为了防止微生物污染，过程①所用的花药需在70%酒精中浸泡30minB．过程②的培养基中需添加较高浓度的细胞分裂素以利于根的分化C．过程③逐步分化的植株中可筛选获得纯合的二倍体D．过程④应将炼苗后的植株移栽到含有蔗糖和多种植物激素的基质上解析：选C。为了防止微生物污染，过程①所用的花药需在体积分数为70%的酒精中浸泡30s，A项错误；过程②为脱分化形成愈伤组织的过程，所用培养基中细胞分裂素和生长素的比例适中，B项错误；进行过程③的愈伤组织经过了秋水仙素的处理，故其分化后的植株中可筛选获得纯合的二倍体，C项正确；经炼苗后的幼苗是能进行光合作用且能独立进行代谢的植株，故幼苗的生长基质中不用添加蔗糖和多种植物激素，D项错误。2．（2024·广东一模）中国航天文创（CASCI）于2021年七夕节前销售200枝太空玫瑰，1秒内售空。这些玫瑰花朵直径与大拇指宽度相当，花期特别长，最初的种子搭载神舟四号飞船进入太空，返回地球后经过多年的选育，利用植物组织培养等技术培育而成。下列叙述正确的是（）A．太空中的宇宙射线辐射、微重力和弱地磁等因素，可诱发种子发生基因重组B．接种外植体→诱导愈伤组织→诱导生芽→生成试管苗，在同一个锥形瓶内完成C．从接种外植体到诱导愈伤组织的过程，是再分化过程D．生长素和细胞分裂素是植物组织培养中影响植物细胞发育方向的关键激素解析：选D。太空中的宇宙射线辐射、微重力和弱地磁等因素可诱发种子发生基因突变或染色体变异，基因重组一般发生在有性生殖的过程中，A项错误；因为植物组织培养的不同步骤对不同植物激素的需求量不同，所以需要转入不同的培养基中完成，不能在同一个锥形瓶内完成，B项错误；接种外植体到诱导愈伤组织的过程属于脱分化，C项错误；植物组织培养中影响植物细胞发育方向的关键激素是生长素和细胞分裂素，两者比值不同可分别诱导植物生根或发芽，D项正确。考向2植物体细胞杂交3．（2024·山东枣庄模拟）科学家利用马铃薯和西红柿叶片分离原生质体并进行细胞杂交，最终获得了杂种植株，相关过程如下图所示。下列有关分析正确的是（）A．过程①应将叶片上表皮向上，置于含纤维素酶和果胶酶的等渗或略高渗溶液中B．过程②中的原生质体由细胞膜、液泡膜及两层膜之间的细胞质构成C．④过程可用高Ca2＋—低pH融合法，目的是促进原生质体融合D．⑤进行脱分化和再分化过程，杂种植株一定具有马铃薯和西红柿的优良性状解析：选A。①过程为去除细胞壁以获得原生质体，应将叶片下表皮的一面朝下（能与溶液接触），原生质体没有细胞壁，为避免原生质体吸水破裂，将叶片置于含纤维素酶和果胶酶的等渗或略高渗溶液中，A项正确；原生质层是由细胞膜、液泡膜以及这两层膜之间的细胞质组成的，B项错误；诱导原生质体融合的化学法包括聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2＋—高pH融合法等，C项错误；由于杂种细胞基因的表达会相互影响等，获得的杂种植株不一定能表现亲本的优良性状，D项错误。4．甲品种（2n）青花菜具有由核基因控制的多种优良性状，但属于胞质雄性不育品种。通过体细胞杂交，成功地将乙品种（2n）细胞质中的可育基因引入甲中。下列相关叙述错误的是（）A．杂种细胞可以被直接诱导出芽、根形成杂种植株，该植株可育B．流程中A处理可使用纤维素酶和果胶酶，B处理可使用聚乙二醇C．杂种细胞经过外源生长素和赤霉素的诱导，直接再分化成为杂种植株D．杂种植株含有控制甲品种青花菜优良性状的基因，并能通过父本进行传递解析：选C。形成杂种植株时，杂种细胞可以被直接诱导出芽、根，该植株可育，A项正确；流程中A处理可使用纤维素酶和果胶酶，B处理可使用聚乙二醇，B项正确；杂种细胞经过外源生长素和细胞分裂素的诱导，脱分化形成愈伤组织，再分化形成胚状体，进一步发育成杂种植株，C项错误；甲品种青花菜具有由核基因控制的多种优良性状，杂种植株细胞核内含有控制甲品种青花菜优良性状的基因，具备乙品种细胞质中的可育基因，因此精子中具备一半核基因，并可通过父本（精子）进行传递，D项正确。考点二植物细胞工程的应用[学生用书P337]1．植物繁殖的新途径2．作物新品种的培育（1）单倍体育种。优点：①明显育种年限；②可获得纯合子，后代不发生性状分离，能遗传。（2）突变体的利用。3．细胞产物的工厂化生产（1）初生代谢与次生代谢。初生代谢是生物生长和生存所的代谢活动，因此在整个生命过程中它一直进行着。初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质和核酸等。次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定的中，并在一定的环境和时间条件下才进行。（2）过程。外植体eq\o(→,\s\up7(脱分化))eq\o(\s\up7(愈伤),\s\do5(组织))eq\o(→,\s\up7(分散开))eq\o(\s\up7(细胞),\s\do5(悬液))eq\o(→,\s\up7(培养、),\s\do5(提取))eq\o(\s\up7(细胞),\s\do5(产物))[易错提醒]工厂化生产不一定要培养出植物体，一般培养到愈伤组织阶段，从培养愈伤组织细胞的培养液中就可提取细胞产物。[答案自填]1.全能性优良品种分生区2.（1）人工诱导染色体加倍缩短稳定（2）突变突变率少3．（1）必需组织或器官[情境命题点思考]1．单倍体植株是进行体细胞诱变和研究遗传突变的理想材料，其原因在于__________________________________________________。提示：大多数单倍体植株的细胞中只含有一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性性状容易显现2．结合诱变育种，从细胞工程的角度出发，简述一种培养抗寒香蕉品种的方法及步骤。提示：体细胞诱变育种。利用诱变剂等方法使香蕉离体培养细胞产生突变，再利用植物组织培养技术发育成完整植株，然后筛选培育出抗寒品种。3．马铃薯栽培种的抗病性和抗逆性较差，野生马铃薯种的抗病性和抗逆性较好。利用野生马铃薯种，通过细胞工程改进马铃薯栽培种种植的思路是_________________________________________________。提示：将野生马铃薯细胞与马铃薯栽培种细胞进行融合，经植物组织培养技术培养成植株1．（2023·广东选择考）人参皂苷是人参的主要活性成分。科研人员分别诱导人参根与胡萝卜根产生愈伤组织并进行细胞融合，以提高人参皂苷的产率。下列叙述错误的是（）A．细胞融合前应去除细胞壁B．高Ca2＋—高pH溶液可促进细胞融合C.融合的细胞即为杂交细胞D．杂交细胞可能具有生长快速的优势解析：选C。植物细胞外面有一层细胞壁，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，获得原生质体，A项正确。人工诱导原生质体融合的方法基本分为两大类——物理法和化学法，物理法包括电融合法、离心法等；化学法包括聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2＋—高pH融合法等，B项正确。融合的细胞可能由同种细胞融合而成，也可能由两种细胞融合而成（即杂交细胞），C项错误。杂交细胞可能具有生长快速的优势，D项正确。2．（2023·山东等级考）利用植物细胞培养技术在离体条件下对单个细胞或细胞团进行培养使其增殖，可获得植物细胞的某些次生代谢物。下列说法正确的是（）A．利用该技术可获得某些无法通过化学合成途径得到的产物B．植物细胞体积小，故不能通过该技术进行其产物的工厂化生产C．次生代谢物是植物所必需的，但含量少，应选择产量高的细胞进行培养D．该技术主要利用促进细胞生长的培养条件提高单个细胞中次生代谢物的含量解析：选A。有些产物不能或难以通过化学合成途径得到，故利用该技术可获得某些无法通过化学合成途径得到的产物，A项正确；利用植物细胞培养技术在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖，可获得植物细胞的某些次生代谢物，故可通过该技术进行植物细胞产物的工厂化生产，B项错误；次生代谢物不是植物生长所必需的，其含量少，可以通过增加细胞的数量来增加次生代谢物的产量，C项错误；细胞产物的工厂化生产主要是利用促进细胞分裂的培养条件，提高多个细胞中次生代谢物的含量，不能提高单个细胞中次生代谢物的含量，D项错误。高考真题体验[学生用书P339]1．（2021·江苏选择考）植物组织培养技术常用于商业化生产，其过程一般为无菌培养物建立→培养物增殖→生根培养→试管苗移栽及鉴定。下列相关叙述错误的是（）A．为获得无菌培养物，外植体要消毒处理后才可接种培养B．组织培养过程中也可无明显愈伤组织形成，直接形成胚状体等结构C．提高培养基中生长素与细胞分裂素的比值，有利于诱导生根D．用同一植株体细胞离体培养获得的再生苗不会出现变异解析：选D。为获得无菌培养物，外植体要经过酒精和次氯酸钠的消毒处理才能接种培养，A项正确；组织培养过程中，不一定必须经过脱分化和再分化的全部过程才能形成胚状体等结构，有些植物组织在培养过程中可以直接再分化，B项正确；生长素与细胞分裂素的比值会影响植物细胞发育的方向，生长素与细胞分裂素的比值较高时有利于根的分化，C项正确；植物组织培养的过程中，细胞分裂旺盛，容易发生变异，D项错误。2．（2021·福建选择考）科研人员利用植物体细胞杂交技术培育矮牵牛新品种，技术流程示意图如下。下列叙述正确的是（）A．愈伤组织是幼嫩叶片通过细胞分化形成的B．获得的杂种植株都能表现双亲的优良性状C．可用聚乙二醇诱导原生质体甲和乙的融合和细胞壁再生D．用纤维素酶和果胶酶处理愈伤组织以获得原生质体解析：选D。愈伤组织是幼嫩叶片通过细胞脱分化形成的，A项错误；由于基因的选择性表达和基因间的互作效应，获得的杂种植株不一定能表现亲本的优良性状，B项错误；可用聚乙二醇诱导原生质体甲和乙的融合，但不能诱导细胞壁的再生，C项错误；由于植物细胞细胞壁的成分主要是纤维素和果胶，故可以用纤维素酶和果胶酶处理愈伤组织以获得原生质体，D项正确。3．（2021·北京等级考）研究者拟通过有性杂交的方法将簇毛麦（2n＝14）的优良性状导入普通小麦（2n＝42）中。用簇毛麦花粉给数以千计的小麦小花授粉，10天后只发现2个杂种幼胚，将其离体培养，产生愈伤组织，进而获得含28条染色体的大量杂种植株。以下表述错误的是（）A．簇毛麦与小麦之间存在生殖隔离B．培养过程中幼胚细胞经过脱分化和再分化C．杂种植株减数分裂时染色体能正常联会D．杂种植株的染色体加倍后能产生可育植株解析：选C。簇毛麦与普通小麦是两个物种，存在生殖隔离，A项正确；在将杂种幼胚离体培养时，幼胚先脱分化形成愈伤组织，继而再分化出根、茎和叶，长成新植株，B项正确；形成的新植株含28条染色体，其中7条染色体来自簇毛麦，21条染色体来自普通小麦，在减数分裂过程中，染色体不能正常联会，C项错误；杂种植株的染色体加倍后，每一条染色体都有与其相同的染色体，减数分裂时染色体可以正常联会，进而产生可育后代，D项正确。4．（2023·高考新课标卷）根瘤菌与豆科植物之间是互利共生关系，根瘤菌侵入豆科植物根内可引起根瘤的形成，根瘤中的根瘤菌具有固氮能力。为了寻找抗逆性强的根瘤菌，某研究小组做了如下实验：从盐碱地生长的野生草本豆科植物中分离根瘤菌；选取该植物的茎尖为材料，通过组织培养获得试管苗（生根试管苗）；在实验室中探究试管苗根瘤中所含根瘤菌的固氮能力。回答下列问题。（1）从豆科植物的根瘤中分离根瘤菌进行培养，可以获得纯培养物，此实验中的纯培养物是。（2）取豆科植物的茎尖作为外植体，通过植物组织培养可以获得豆科植物的试管苗。外植体经诱导形成试管苗的流程是外植体eq\o(→,\s\up7(①))愈伤组织eq\o(→,\s\up7(②))试管苗。其中①表示的过程是，②表示的过程是。由外植体最终获得完整的植株，这一过程说明植物细胞具有全能性。细胞的全能性是指______________________________________________________________________________________________________________。（3）研究小组用上述获得的纯培养物和试管苗为材料，研究接种到试管苗上的根瘤菌是否具有固氮能力，其做法是将生长在培养液中的试管苗分成甲、乙两组，甲组中滴加根瘤菌菌液，让试管苗长出根瘤。然后将甲、乙两组的试管苗分别转入的培养液中培养，观察两组试管苗的生长状况，若甲组的生长状况好于乙组，则说明________________________________________________________________________。（4）若实验获得一种具有良好固氮能力的根瘤菌，可通过发酵工程获得大量根瘤菌，用于生产根瘤菌肥。根瘤菌肥是一种微生物肥料，在农业生产中使用微生物肥料的作用是________________（答出2点即可）。答案：（1）根瘤菌单菌落（2）脱分化再分化细胞经分裂和分化后，仍具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能（3）无氮接种到试管苗上的根瘤菌具有固氮作用（4）提高土壤肥力、改善土壤结构、提高作物的产量（答出2点即可）课时跟踪练[学生用书P72（单独成册）]一、选择题1．（2024·江门高三一模）“不是花中偏爱菊，此花开尽更无花”，菊花因高洁的品质备受人们喜爱。为实现菊花的快速繁殖，研究人员利用其外植体培养出大量幼苗，下列属于该培养过程必需条件的是（）A.外植体细胞具有完整的细胞核B．外植体需经过彻底灭菌处理C．外植体需用酶分散成单个细胞D．外植体细胞处于未分化状态解析：选A。细胞核是遗传和代谢的控制中心，是遗传信息库，含有该种植物完整的遗传信息，故将菊花细胞培养成幼苗过程中外植体细胞必须具有完整的细胞核，A项符合题意；植物组织培养过程中，为防止杂菌污染，外植体需进行消毒处理，B项不符合题意；植物组织培养过程中外植体无须用酶分散成单个细胞，C项不符合题意；植物组织培养的原理是植物细胞具有全能性，其具体过程是外植体脱分化形成愈伤组织，再分化形成新植株，故外植体细胞无须处于未分化状态，D项不符合题意。2．酸性土壤是pH小于7的土壤总称，包括红壤、黄壤、砖红壤、赤红壤等。酸性土壤在世界范围内分布广泛，在农业生产中占有重要地位。下图表示利用耐酸植物甲（4N）和高产植物乙（2N）培育高产耐酸杂种植物的过程，图中序号表示过程或处理手段，字母表示细胞、细胞结构或组织名称。下列叙述正确的是（）A．①过程用到的酶是纤维素酶，A、B表示原生质层B．②过程可以使用PEG或灭活的病毒诱导C．③过程得到的杂种细胞含有3个染色体组D．④⑤过程使用的培养基需加入生长素和细胞分裂素，但加入的比例不同解析：选D。①过程是用酶解法去除植物细胞壁，用到的酶是纤维素酶和果胶酶，A、B表示原生质体，A项错误；②过程可以使用化学方法（聚乙二醇）或物理方法诱导原生质体融合，灭活的病毒是诱导动物细胞融合的方法，B项错误；③过程得到的杂种细胞含有两种细胞的遗传物质，有6个染色体组，C项错误。3．下图①②③代表通过植物组织培养技术培育新植株的三条途径，下列有关叙述正确的是（）A.外植体a、b、c来自同一植株的不同部位，它们的全能性表达难易程度一般相同B．A1是愈伤组织，是排列紧密、有特定形态结构、高度液泡化的薄壁细胞C．将含B1的试管放在摇床上，通过固体培养基培养可以分散成单细胞，B3为胚状体D．不同来源的C1可融合形成重组细胞，经培养获得具有特定性状的新植株解析：选D。外植体a、b、c来自同种植株，根、芽、茎细胞的分化程度一般不同，因此外植体a、b、c的全能性表达难易程度一般不同，A项错误；A1是愈伤组织，愈伤组织的细胞排列疏松而无规则，是一种高度液泡化、无定形状态的薄壁细胞，B项错误；将含B1的试管放在摇床上，需要用液体培养基，通过液体悬浮培养可以分散成单细胞，再发育成胚状体，形成植株，C项错误；不同来源的原生质体可以通过原生质体融合技术将它们的遗传物质组合在一起，经培养后获得再生植株，培育新品种，D项正确。4．（2024·山东济宁期末）芦笋是雌雄异株植物，其幼茎可食用，雌株性染色体为XX，雄株为XY，雄株产量高。以下为两种培育雄株的技术路线。下列有关叙述错误的是（）A．雄株丁的亲本性染色体组成分别为XY、XXB．幼苗乙和丙的形成均经过脱分化和再分化过程C．形成愈伤组织可通过添