考点46植物细胞工程（讲义）

考点46植物细胞工程细胞工程原理和方法：细胞生物学和分子生物学。操作水平：细胞水平或细胞器水平。目的：按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品。分类：植物细胞工程和动物细胞工程等。植物细胞工程植物细胞工程包括植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术植物组织培养技术概念：指将离体的植物器官、组织或细胞等（称为外植体），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。原理：细胞的全能性。细胞具有全能性的原因（物质基础）生物体的细胞中都含有该物种的全套遗传物质，都有发育成为完整个体所需的全部遗传信息。过程：①愈伤组织：在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞经过脱分化，即失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞的细胞，进而形成的不定形的薄壁组织团块。愈伤组织的特点：薄壁、不定形、未分化、排列疏松。②脱分化和再分化主要通过调节细胞分裂素和生长素比例实现。生长素用量与细胞分裂素用来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植物体细胞杂交概念：指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。原理（理论基础）：细胞膜的流动性和细胞的全能性。过程：①去除细胞壁：目的：获得具有活力的原生质体；常用方法：酶解法；所用酶：纤维素酶和果胶酶。②原生质体的融合：原理：细胞膜的流动性；方法：物理法——电融合法、离心法；化学法——聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+高pH融合法。这是原生质体融合成功的标志：再生出细胞壁。植物体细胞杂交的意义：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。植物细胞工程的应用植物繁殖的新途径快速繁殖：保持优良品种的遗传特性，高效、快速地实现种苗的大量繁殖，也叫微型繁殖。作物脱毒：利用分生区附近（如茎尖）组织培养获得脱毒苗。作物新品种的培育：单倍体育种、突变体的利用。细胞产物的工厂化生产：培养到愈伤组织阶段。考法1植物细胞工程的基本技术关于植物体细胞杂交原理过程利用的原理原生质体融合细胞膜的流动性杂种细胞发育成杂种植株细胞的全能性杂种细胞形成的标志：新细胞壁的生成。植物体细胞杂交的终点：培育成杂种植株。杂种植株特征：具备两种植物的遗传特征，原因是杂种植株中含有两种植物的遗传物质。植物组织培养和植物体细胞杂交的比较植物组织培养植物体细胞杂交原理（理论基础）细胞的全能性细胞膜具有一定的流动性、细胞的全能性过程外植体愈伤组织根、芽或胚状体植物体选材选取根尖、茎尖、形成层部位（最容易诱导脱分化）不同植物细胞（融合后形成杂种细胞）技术操作①外植体消毒：流水冲→酒精消毒30s→无菌水洗→次氯酸钠溶液处理30min→无菌水洗；②将外植体插入培养基，不要倒插③脱分化、再分化（诱导愈伤组织一般不需要光照）④再分化出的幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中；⑤长壮移栽入土①除脱分化、再分化外，还要用酶解法去除细胞壁，所用的酶是纤维素酶和果胶酶；②用物理（电融合法、离心法）或化学[聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+高pH融合法]方法诱导细胞融合应用①繁殖：快速繁殖、作物脱毒等；②培育新品种；③生产细胞产物打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种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。植物体细胞杂交和有性杂交的比较现有不同来源的植物细胞A、B，A含有2n条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb，B含有2m条染色体，2个染色体组，其基因型为ccDd，植物体细胞杂交和有性杂交结果如下：项目植物体细胞杂交有性杂交染色体数2n+2mn+m基因型AabbccDdAbcD、abcD、Abcd、abcd染色体组数4个，异源四倍体2个，异源二倍体联会正常异常，不能产生配子植物体细胞杂交后的细胞不管是染色体数、基因型还是染色体组数都采用直接相加的方法得到；而植物有性杂交则先减半再相加。概念辨析细胞分化、脱分化和再分化的辨析项目概念细胞分化由种子发育成植株的过程中要经过细胞分化，以形成不同的组织和器官脱分化在一定的激素和营养等条件的诱导下，植物已经分化的细胞失去其特有的结构和功能，转变为未分化的细胞，进行形成不定形的包庇组织块，即形成愈伤组织的过程。再分化愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程原生质体、原生质层的辨析原生质体除去细胞壁后的植物细胞、真菌细胞或细菌细胞原生质层包括植物细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质，不包括细胞核、细胞液、细胞壁（2023春•宁波期末）通过植物组织培养技术，可以把外植体培养成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株。下列叙述正确的是（）A．发芽培养基中的生长素浓度高于细胞分裂素浓度 B．生根培养基的营养物质浓度通常高于发芽培养基 C．愈伤组织发育为完整植株必须先再分化为胚状体 D．无菌栽培的试管苗茎段作为外植体时无需对其消毒【分析】1、离体的植物组织或细胞，在培养一段时间后，会通过细胞分裂形成愈伤组织。愈伤组织的细胞排列疏松而无规则，是一种高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞。由高度分化的植物组织或细胞产生愈伤组织的过程，称为植物细胞的脱分化。脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，经过再分化可以重新分化成根或芽等器官，继续分化形成的试管苗，移栽到地里，可以发育成完整的植株。2、植物组织培养中生长素和细胞分裂素使用比例对植物细胞发育的影响：生长素用量比细胞分裂素用量，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，促进愈伤组织的形成。【解答】解：A、发芽培养基中的生长素浓度低于细胞分裂素浓度，目的是诱导生芽，A错误；B、生根培养基的生长素浓度高于细胞分裂素浓度，并不是营养物质浓度高于发芽培养基，B错误；C、愈伤组织发育为完整植株的过程中未必一定需要经过再分化为胚状体，有的可以经过丛芽阶段，C错误；D、无菌栽培的试管苗茎段因为几乎不带毒，因此在作为外植体时无需对其消毒，而是直接由于诱导愈伤组织产生即可，D正确。故选：D。【点评】本题考查植物组织培养技术的相关知识，意在考查考生能理解所学知识要点，把握知识间内在联系的能力；能运用所学知识，准确判断问题的能力。（2023春•湖北期中）如图是利用甲、乙两种植物的各自优势，培育高产、耐盐杂种植株的实验流程图。下列叙述正确的是（）A．利用甲、乙植物细胞培育出目的植株的技术称为植物组织培养技术 B．a过程应将甲、乙细胞置于低渗环境中用纤维素酶和果胶酶处理 C．b过程可用PEG诱导融合法、灭活病毒诱导融合法等方法 D．c过程应将幼苗种植在高盐环境中【分析】据图分析，a表示酶解法除去细胞壁，b表示诱导原生质体的融合，c表示选择出耐盐的幼苗。【解答】解：A、用甲、乙植物细胞培育出目的植株的技术称为植物体细胞杂交技术，A错误；B、为了保证细胞的活性，a过程应将甲、乙细胞置于等渗环境中用纤维素酶和果胶酶处理，B错误；C、b过程可用PEG诱导融合法、电融合法等方法，C错误；D、c过程应将幼苗种植在高盐环境中，筛选获得耐盐杂种植株，D正确。故选：D。【点评】本题考查植物体细胞杂交的相关知识，要求学生识记植物体细胞杂交的原理、具体过程及意义，能准确判断图中各步骤的名称，能结合所学知识答题。（2023春•龙口市校级月考）为拓宽蔬菜育种资源，科学家用大白菜（2n＝20）、青花菜（2n＝18）和叶用芥菜（2n＝36）为材料，进行体细胞融合获得大量再生植株。染色体计数显示，再生植株染色体数为38﹣64，未发现与3个亲本染色体总数一致的个体。下列说法不正确的是（）A．杂种细胞培育成再生植株需用植物组织培养技术 B．染色体数为38的再生植株，最可能是大白菜和青花菜细胞的融合 C．再生植株的染色体数目说明，三个细胞融合时发生了染色体的丢失 D．再生植株的获得实现了远缘杂交育种，且获得的再生植株均可育【分析】植物细胞具有细胞壁，在进行体细胞融合之前需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，诱导原生质体融合的物理法包括振荡、离心、电激等，化学法一般是用聚乙二醇作为诱导剂来诱导细胞融合。【解答】解：A、植物组织培养是指植物的离体器官、组织或细胞在人工制备的培养基上进行无菌培养，并在人工控制的环境条件下使其发育成完整植株的技术，杂种细胞培育成再生植株需用植物组织培养技术，A正确；B、大白菜的染色体数为20，青花菜的染色体数为18，二者的细胞融合后染色体数为38，B正确；C、三个细胞融合，染色体总数理论上是20+18+36＝74，而事实上再生植株的染色体数为38～64，因此三个细胞融合时发生了染色体的丢失，C正确；D、再生植株的获得实现了不同物种间的远缘杂交育种，但获得的再生植株的染色体不完全同源，减数分裂时可能会出现联会乱，因此再生植株不一定可育，D错误。故选：D。【点评】本题考查植物体细胞杂交的相关知识，意在考查学生的识记能力和判断能力，运用所学知识综合分析问题的能力。（2023春•朔州期末）兰花高洁而典雅，深受人们喜爱，但兰花自然繁殖率极低。利用植物组织培养的方法可以快速繁殖兰花。下列相关叙述错误的是（）A．利用兰花茎尖进行植物组织培养兰花的过程包括脱分化和再分化过程 B．在进行植物组织培养过程中加入植物激素的浓度、比例等都会影响植物细胞的发育方向 C．培养基中需要加入细胞分裂素，不需要加入生长素 D．利用植物组织培养快速繁殖兰花利用了植物细胞的全能性【分析】植物组织培养过程是：离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织，然后再分化生成根、芽，最终形成植物体。植物组织培养依据的原理是植物细胞的全能性。【解答】解：A、植物组织培养过程包括脱分化和再分化两个环节，A正确；B、生长素和细胞分裂素的浓度和比例等会影响植物细胞的发育方向，是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素，B正确；C、脱分化培养基和再分化培养基都需要加入适当比例的生长素和细胞分裂素，C错误；D、利用兰花茎尖进行植物组织培养兰花的过程体现了植物细胞的全能性，D正确。故选：C。【点评】本题考查植物组织培养的相关知识，要求考生理解识记有关技术的原理及操作步骤，掌握各操作步骤中需要注意的细节，能将教材中的知识结合题中信息进行迁移应用。（2023春•湛江期末）如图表示通过植物细胞工程相关技术，利用甲（2n）、乙（2n）两种植物（各含有一种不同的优良性状）培育高产耐盐植株的过程，其中序号代表过程或结构。请分析下列说法正确的是（）A．①过程常用胰蛋白酶作为化学诱导剂 B．②不是甲和乙融合的杂种细胞 C．由愈伤组织到④需经过脱分化和再分化的过程 D．可通过配制选择培养基对目的植株进行选择【分析】1、该图是植物原生质体融合以及植物细胞培养过程图，①表示利用化学或物理方法融合细胞，②表示正在融合的细胞，③表示杂种细胞，④表示杂种植株。2、植物组织培养：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，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。【解答】解：A、在培育高产耐盐植株时，若使用化学方法诱导甲、乙原生质体融合，则①过程可选用聚乙二醇作为诱导剂，A错误；B、甲、乙原生质体经诱导融合后可能形成甲和甲融合、乙和乙融合及甲和乙融合的细胞，且②为尚未再生出细胞壁的原生质体，不是杂种细胞，B正确；C、愈伤组织到④只需经过再分化的过程，C错误；D、对目的植株进行筛选应从植物性状水平筛选，而运用选择培养基培养属于细胞水平，故应当用高盐环境对目的植株进行筛选，D错误。故选：B。【点评】本题考查植物体细胞杂交技术和植物组织培养，要求考生熟记相关原理、条件、过程等基础知识，意在考查学生的分析能力和运用能力。（2023•日照模拟）花椰菜（2n＝18）易受黑腐病菌的危害而患黑腐病，野生黑芥（2n＝16）对黑腐病等多种常见病害具有抗性。科研人员用射线照射处理黑芥叶肉原生质体后与花椰菜根原生质体融合，获得了抗黑腐病的杂合新植株甲、乙、丙，它们均含有花椰菜的全部染色体。下列叙述错误的是（）植株花椰菜黑芥杂合新植株甲杂合新植株乙杂合新植株丙染色体数目1816342458A．可以利用是否含有叶绿体作为初步筛选融合原生质体的依据 B．杂合新植株甲的单倍体的细胞中有2个染色体组，因而可育 C．杂合新植株丙可能是由多个原生质体经PEG诱导融合而成 D．获得的杂种细胞需要经过脱分化和再分化才能培育成新植株【分析】植物体细胞杂交是指将不同种的植物体细胞在一定条件下融合成为杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的方法。其原理是细胞膜的流动性和细胞的全能性，去除细胞壁后诱导原生质体融合的方法有离心、电刺激、聚乙二醇等试剂诱导，其典型优势是克服远缘杂交不亲和的障碍。【解答】解：A、融合成功的杂种细胞，可形成叶绿体，所以可以利用是否含有叶绿体作为初步筛选融合原生质体的依据，A正确；B、杂合新植株甲的单倍体的细胞中有2个染色体组，但来源不同，因而不可育，B错误；C、由于细胞融合具有随机性，杂合新植株丙染色体数目58，大于34（花椰菜18和野生黑芥16的和），可能是由多个原生质体经PEG诱导融合而成，C正确；D、获得的杂种细胞需要经过脱分化形成愈伤组织，然后再分化生芽、生根，才能培育成新植株，D正确。故选：B。【点评】本题考查植物体细胞杂交技术的知识，意在考查学生对知识的掌握情况，要求学生熟记基础知识，形成知识网络，能根据题意分析找出关键信息，结合知识正确作答。考法2植物细胞工程的应用植物繁殖的新途径快速繁殖①概念：用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术；②优点：a.可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖；b.可以保持优良品种的遗传特性。③实例：观赏植物、经济林木、无性繁殖作物、濒危植物。脱毒植物的培养与检测①适用范围无性繁殖的作物②进行作物脱毒的原因：用无性繁殖的方式进行繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传给后代，病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低、品质变差。③外植体选材部位：植物顶端分生区附近部位，如茎尖。④选分生区的原因：植物顶端分生区附近病毒极少，甚至无病毒。⑤检测病毒的方法：a.在分子水平上利用PCR技术检测病毒的基因；b.在分子水平上利用抗原抗体杂交技术检测病毒的蛋白质，进而判断病毒是否存在；c.在个体水平上利用病毒侵染，观察个体是否发生病变。作物新品种的培育单倍体育种①花药离体培养过程就是植物组织培养过程。②人工诱导染色体加倍常用秋水仙素处理，只能处理单倍体植株的幼苗，而不能处理单倍体植株的种子，因为单倍体育种中的单倍体植株没有种子。③单倍体育种的优点：后代不发生性状分离，是纯合子，能够稳定遗传，明显缩短了育种年限。突变体的利用①诱变处理对象：一般为愈伤组织。②原因：在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此它们容易受到培养条件和诱变因素的影响而产生突变。③原理：基因突变和植物细胞的全能性。④优点：通过人工诱变提高愈伤组织的突变率，从而筛选获得抗病、抗盐、高产、优质的新品种，加快育种进程。⑤缺点：突变具有不定向性和低频性，因此需大量处理实验材料。细胞产物的工厂化生产植物的代谢产物分类：①初生代谢产物：初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动；产物：糖类、脂质、蛋白质、核酸等②次生代谢产物：次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行；产物：一类小分子有机化合物：如酚类、萜类和含氮化合物等细胞产物的工厂化生产的目标产物：次生代谢产物技术—植物细胞培养：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的技术。细胞产物的工厂化生产的一般过程优点：不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。实例①从紫草细胞中提取了具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性的紫草宁。②培养高产紫杉醇的细胞生产具有高抗癌活性的紫杉醇。③利用人参细胞培养来生产人参中重要的活性成分——人参皂苷。（2023•山东）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【分析】次生代谢是指生物合成生命非必需物质并储存次生代谢产物的过程。这些代谢反应在细胞组成中扮演重要角色，使得细胞的结构和功能能够维持平衡。【解答】解：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，A正确；B、植物细胞体积小，能通过该技术进行其产物的工厂化生产，B错误；C、次生代谢物不一定是植物所必需的，C错误；D、该技术主要利用促进细胞生长的培养条件提高多个细胞产生的次生代谢物的含量，D错误。故选：A。【点评】本题考查了植物组织培养的相关知识，掌握植物组织培养的原理、过程、应用，是解题的关键。（2023•湖北模拟）马铃薯（4n＝48）是一种营养价值丰富的粮食和经济作物。植物细胞工程技术在马铃薯的繁殖、育种等方面有广泛的应用。下列叙述错误的是（）A．微型繁殖技术可以保持优良马铃薯品种的遗传特性 B．取马铃薯茎尖作为外植体进行组织培养，可以获得脱毒苗 C．取马铃薯的花药进行离体培养得到的单倍体植株是可育的 D．组织培养过程中，处于不断增殖状态的马铃薯细胞不易发生突变【分析】1、植物组织培养技术不仅可以保持优良品种的遗传特性，还可以高效快速地实现种苗的大量繁殖，因此人们形象的把用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，叫做植物的微型繁殖技术，也叫快速繁殖技术。2、植物分生区附近（如茎尖）的病毒极少，甚至无病毒，因此切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。3、在植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，容易受到培养条件和外界压力的影响，在DNA复制的过程中发生突变，易获得突变体。【解答】解：A、据分析可知，微型繁殖技术利用植物细胞的有丝分裂，可以保持优良马铃薯品种的遗传特性，A正确；B、马铃薯茎尖病毒极少，甚至无病毒，因此取马铃薯茎尖作为外植体进行组织培养，可以获得脱毒苗，B正确；C、据题中所给信息马铃薯（（4n＝48）可知其体细胞中有4个染色体组，取马铃薯的花药进行离体培养得到的单倍体植株，是由其配子直接发育而来，即该单倍体