2024-2025学年高中生物专题2细胞工程1-1植物细胞工程的基本技术学案新人教版选修3

PAGE17-植物细胞工程的基本技术学问点一细胞工程和细胞全能性1．细胞工程(1)概念：是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平上的操作，依据人的意愿来变更细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。概念要点：①应用原理：细胞生物学和分子生物学；②操作水平：细胞水平或细胞器水平；③操作目的：依据人的意愿变更细胞内的遗传物质或获得细胞产品。(2)分类eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(依据对象不同\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(植物细胞工程,动物细胞工程,微生物细胞工程)),依据技术手段不同\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(细胞与组织培育,细胞融合,细胞核移植))))2．细胞的全能性(1)概念：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个体的潜能。(2)理论依据：生物体的每一个细胞都包含该物种全部的遗传物质，都有发育成完整个体所必需的全部基因，从理论上讲，生物体的任何一个细胞都具有发育成完整生物体的潜能。(3)全能性表达须要的条件：①离体，生物体内的活细胞尽管均具有全能性，但由于在特定时间和空间条件下，细胞中的基因会有选择性地表达出各种蛋白质，分化形成不同的细胞，从而构成生物体的不同组织和器官，所以不能表现出全能性；②相宜的养分、环境条件和植物激素等。1．细胞全能性的分析从细胞的来源——有丝分裂上进行理论分析：形成的子细胞核应与受精卵的完全相同，含有该物种所特有的全套遗传物质，都有发育成完整个体必需的全部基因，应当具有全能性。体内分化的细胞之所以没有表达出全能性，是由于基因的选择性表达。但离体培育时，脱离母体的限制，在肯定条件下就能表达。2．细胞全能性凹凸的比较细胞全能性的凹凸与分化程度一般呈负相关，分化程度越大，全能性越低。(1)植物细胞>动物细胞；(2)受精卵>生殖细胞>体细胞；(3)幼嫩的细胞>苍老的细胞；(4)体细胞：分化程度低的细胞>分化程度高的细胞。【典题精练1】下列围绕有关细胞全能性的叙述，正确的是()A．植物体只有体细胞才具有发育成完整个体所必需的全套基因B．高度分化的植物细胞只有处于离体状态时才有可能表现出全能性C．植物体内某些体细胞没有表现出全能性，其缘由是所含基因不同D．紫色糯性玉米种子培育成植株，这反映植物种子具有全能性【解析】细胞具有全能性的缘由是细胞具有发育成完整个体所必需的全套基因，而配子也具有这样的全套基因，同样具有全能性，A项错误；植物体内细胞没有表现出全能性，这是细胞内基因在特定时间和空间条件下选择性表达的结果，C项错误；种子发育成植株，是正常生命历程，未反映全能性，D项错误。细胞全能性的表达前提是离体培育的细胞、组织或器官，B项正确。【答案】B解题归纳正确理解细胞的全能性①全能性表达的标记：已分化的细胞能形成完整的个体。若只是形成某种组织或器官则不能体现全能性。②全能性的原理：细胞具有发育成完整个体所必需的“全套”基因而不是“全部”基因，配子中有全套基因，因此同样具有全能性。【典题精练2】以下实例不能体现细胞全能性的是()A．用胡萝卜韧皮部细胞培育出植株B．用紫色糯玉米种子培育出植株C．用转入抗虫基因的棉花细胞培育出植株D．番茄体细胞与马铃薯体细胞杂交后培育出植株【解析】细胞的全能性是指已经分化的细胞仍旧具有发育成完整生物体的潜能。能体现细胞全能性的最好实例是植物组织培育，即离体的植物器官、组织或细胞经过脱分化和再分化，最终能形成一个完整的植物体，故A、C、D三项所述都能体现细胞的全能性。玉米种子中有胚，胚是玉米的幼体，因此将玉米种子培育成植株是幼体发育为成体的过程，没有体现细胞的全能性，故B项符合题意。【答案】B学问点二植物组织培育技术1．相关概念(1)脱分化：已经分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。(2)愈伤组织：已经分化的细胞离体后，经过激素诱导，脱分化为具有分生实力的薄壁细胞，这些排列疏松且无规则、高度液泡化的呈无定形态态的薄壁细胞称为愈伤组织。(3)再分化：脱分化产生的愈伤组织接着培育，重新分化出幼根和芽等器官的过程。2．植物组织培育的概念在无菌和人工限制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培育在人工配制的培育基上，赐予相宜的培育条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。3．植物组织培育的原理：植物细胞的全能性。4．植物组织培育的过程5．胡萝卜组织培育的试验操作流程6．植物组织培育过程中应留意的问题(1)灭菌①全部的试验用具须要严格灭菌。②接种过程中，试验人员须进行严格的无菌操作。(2)严格限制光照在愈伤组织的诱导阶段往往要暗培育，而在分化再生的阶段肯定要有光照。因为暗培育有利于细胞的脱分化，产生愈伤组织，若有光照则简单分化产生维管组织，不利于产生大量的愈伤组织。生长素与细胞分裂素在植物组织培育中的作用植物激素中生长素和细胞分裂素是影响细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素。【典题精练3】下图为将胡萝卜的离体组织在肯定条件下培育形成试管苗的过程示意图，有关叙述正确的是()A．利用此过程获得的试管苗可能为杂合子B．①②过程中都会发生细胞的增殖和分化C．多倍体植株的培育需经过如图所示过程D．此过程依据的生物学原理是细胞膜具有流淌性【解析】植物的组织培育过程是无性繁殖的过程，假如离体的组织来自纯合子，则得到的试管苗是纯合子，假如离体的组织来自杂合子，则得到的试管苗是杂合子；①过程为脱分化；②过程为再分化，脱分化过程中没有细胞的分化；用秋水仙素处理萌发的种子和幼苗就可获得多倍体植株，不须要经过组织培育过程；植物组织培育技术依据的生物学原理是细胞的全能性，而不是细胞膜的流淌性。【答案】A【典题精练4】韧皮部细胞是高度分化的植物细胞，用韧皮部细胞进行组织培育可以形成愈伤组织，下列叙述错误的是()A．该愈伤组织是细胞经过脱分化和细胞分裂形成的B．该愈伤组织的细胞没有全能性C．该愈伤组织由排列疏松的薄壁细胞组成D．该愈伤组织可以形成具有生根发芽实力的胚状结构【解析】愈伤组织是由离体的植物器官、组织或细胞通过细胞分裂产生的，此过程称为植物细胞的脱分化。愈伤组织中的细胞排列疏松而无规则，主要是一种高度液泡化的呈无定形态态的薄壁细胞。愈伤组织中虽然有些细胞发生分化，但仍具有全能性，在肯定条件下接着培育，细胞会发生再分化，生成芽和根，进而发育成完整植株。愈伤组织的形态发生方式主要有不定芽方式和胚状体方式两种。其中，胚状体方式是指由愈伤组织细胞诱导分化出具有胚芽、胚根和胚轴的胚状结构，进而长成完整植株。【答案】B学问点三植物体细胞杂交技术1．植物体细胞杂交的概念将不同种的植物体细胞，在肯定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。2．原理植物体细胞融合依据的生物学原理是细胞膜的流淌性，植物组织培育的理论基础是细胞的全能性。3．植物体细胞杂交的过程酶解法制备原生质体→原生质体融合→杂种细胞再生出细胞壁→脱分化形成愈伤组织→再分化形成杂种植株。(如下图所示)4.植物体细胞杂交技术的应用植物体细胞杂交克服了植物远缘杂交不亲和的障碍，可以定向地改良生物性状，在培育作物新品种方面具有广袤的应用前景。如科学家已经培育出了白菜—甘蓝、烟草—海岛烟草、胡萝卜—羊角芹等种间或属间杂种。但是目前仍有很多理论和技术问题没有解决，离推广应用仍有肯定距离。1．深化理解植物体细胞杂交技术(1)植物体细胞杂交中融合胜利的标记是杂种细胞再生出细胞壁。(2)植物体细胞A和B融合胜利后，将得到AB型、AA型和BB型三种细胞，但只有AB型是杂种细胞，因此，在细胞融合后还应有一个筛选杂种细胞的过程。(3)从生殖类型上看，植物体细胞杂交技术没有有性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。(4)植物体细胞杂交后，杂种细胞的染色体组数是两个物种的总和，形成异源多倍体。因为细胞内每条染色体仍旧有同源染色体，所以从理论上讲杂种植株是可育的，但育性会降低。(5)植物体细胞杂交的终点是培育成杂种植株，而不是形成杂种细胞。杂种植株的特征：具备两种植物的遗传特征，缘由是杂种植株中含有两种植物的遗传物质。2．比较植物体细胞杂交、植物组织培育和多倍体育种(1)植物组织培育和植物体细胞杂交(2)植物体细胞杂交和多倍体育种【典题精练5】有关传统植物杂交与植物体细胞杂交的比较，正确的是()A．两者涉及的变异类型依次是基因重组、基因突变B．两者的操作中都须要运用纤维素酶和果胶酶C．两项技术培育出的新个体与亲代之间均不存在生殖隔离D．与传统植物杂交相比，植物体细胞杂交可以克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍【解析】传统植物杂交为有性杂交，涉及的变异类型是基因重组；植物体细胞杂交涉及的变异类型是染色体变异，A错误。有性杂交时不须要运用纤维素酶和果胶酶。B错误。植物体细胞杂交获得的新个体与亲代间存在生殖隔离，C错误。有性杂交一般发生在同种之间，而植物体细胞杂交打破了生殖隔离，能克服远缘杂交不亲和的障碍，D正确。【答案】D解题归纳学生简单错选的根本缘由是不能正确理解两种杂交方法的不同。有性杂交是指同一种生物不同个体之间的交配，而植物体细胞杂交一般发生在不同种生物之间，通过原生质体融合、植物组织培育完成。【典题精练6】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植株丙和丁，培育过程如下图所示。下列有关叙述正确的是()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的基因型可能不同D．获得植株丙和植株丁的过程都属于有性生殖【解析】本题考查植物多倍体的培育、有性生殖、无性生殖的区分及植物有性杂交与细胞融合后染色体数的变更。用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，可以获得多倍体植株，而不能处理柱头；植株丙是通过有性杂交获得的，其染色体数为3N，植株丁通过细胞融合后培育获得，其染色体数为6N；植株甲和植株乙的染色体数不同，在正交和反交时，作为母本和父本的植物产生的卵细胞和精子染色体数不同，所以受精卵发育成的胚的基因型可能不同；植株丙通过有性杂交形成，属于有性生殖，植株丁通过细胞融合后培育形成，属于无性生殖。故选C。【答案】C一、选择题1．与传统的有性杂交法相比，植物体细胞杂交的最大优点是(B)A．可使两个亲本的优良性状组合到一起B．可以克服远缘杂交不亲和的障碍C．可以培育出高产性状优良的新品种D．可以降低生产成本，提高经济效益解析：由于不同生物之间存在着生殖隔离，因此有性杂交不能做到利用不同种的生物杂交来培育新品种，而植物体细胞杂交则可以打破这种限制，实现远缘杂交。故选B。2．下列关于细胞全能性的叙述中，错误的是(C)A．理论上，生物体的每个细胞都含有该生物的全套基因，具有全能性B．植物细胞虽然具有全能性，但并不是全部的细胞都能表达出来C．植物体只有生长点细胞具有全能性，而其他部位细胞没有全能性D．植物细胞具有全能性，而其他生物细胞一般不表现出全能性解析：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，也就是说，每个细胞都具有全能性，但并不是全部的细胞都表现出来，一般来说植物细胞的全能性较高，动物细胞的全能性较低。故选C。3．细胞具有全能性的根本缘由是(C)A．生物体细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能B．生物体的每一个细胞都具有全能性C．生物体的每一个细胞都含有个体发育的全部基因D．生物体的每一个细胞都是由受精卵发育来的解析：生物体的细胞具有全能性的根本缘由是细胞内含有形成完整个体所需的全部基因。故选C。4．下图为植物组织培育过程示意图，则下列叙述不正确的是(C)A．植物组织培育依据的生物学原理是细胞的全能性B．③→④过程是指植物的养分生长和生殖生长阶段C．将①经脱分化培育成②时，必须要有光照，以利于细胞的脱分化D．②→③的再分化过程中，诱导②生根的激素为细胞分裂素和生长素解析：从题中不难看出，①为外植体，②为愈伤组织，③为胚状体，④为完整植株，此过程为植物组织培育，利用的生物学原理是细胞的全能性。脱分化过程中须要避光处理，C不正确。故选C。5．下列关于植物组织培育的表述，错误的是(A)A．外植体可以来自于植物的任何细胞B．培育应在无菌条件下进行C．以花粉作为外植体可得到单倍体植株D．不同阶段的培育基中细胞分裂素和生长素的比例不同解析：本题考查植物组织培育的概念。外植体是来自植物体的完整的活细胞，如木本植物的木质部就不能作为外植体。6．下列有关植物组织培育的叙述，正确的是(D)A．愈伤组织是一团有特定结构和功能的薄壁细胞B．二倍体植株的花粉经脱分化与再分化后得到稳定遗传的植株C．同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培育获得的愈伤组织基因相同D．植物耐盐突变体可通过添加适量NaCl的培育基培育筛选而获得解析：本题考查植物组织培育的过程与特点。愈伤组织是由未分化的薄壁细胞组成，没有特定的结构和功能；由二倍体的花粉培育得到的单倍体植株不能产生后代；同一植物不同体细胞中细胞核中的基因是相同的，但其配子中的基因组成与体细胞不同，因而由配子和体细胞分别培育获得的愈伤组织基因型不同；在培育基中加入适量的NaCl，可以选择出植物的耐盐突变体。7．将无根的非洲菊幼苗转入无植物激素的培育基中，在相宜的温度和光照等条件下培育一段时间后，应出现的现象是(B)解析：本题考查激素对植物生根、发芽、形成愈伤组织的作用。细胞分裂素促进细胞分裂，诱导芽的分化；生长素可以促进不定根、侧根的形成。此题中虽然培育基中没有植物激素，但是植物幼苗叶片本身可以产生生长素，而细胞分裂素的产生部位在根尖，所以试验材料不能产生细胞分裂素，因此植物能够在一段时间后长出少量的根而没有出芽。8．下图为“番茄—马铃薯”的培育过程示意图，有关叙述正确的是(C)A．获得a、b细胞须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淌性D．d、e、f过程表示植物的组织培育过程，e、f分别为脱分化和再分化解析：植物体细胞在杂交之前，必需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、b细胞融合为c细胞的原理是细胞膜的流淌性，诱导a、b细胞融合的化学试剂一般用聚乙二醇，d、e分别为脱分化和再分化。二、非选择题9．下图所示为胡萝卜的韧皮部细胞通过无菌操作，接入试管后，在肯定条件下，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，培育基中应有养分物质和激素。养分物质包括无机物和小分子有机物，激素包括细胞分裂素和生长素两类植物激素。(2)此过程依据的原理是细胞的全能性。A和B阶段主要进行的分裂方式是有丝分裂，B阶段除了细胞分裂外，还进行细胞分化等。(3)此过程要无菌操作，主要是指对培育基进行灭菌消毒。B阶段须要光照，缘由是芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成须要光照条件。(4)试管苗的根细胞没有叶绿素，而叶的叶肉细胞具有叶绿素，这是基因选择性表达的结果。(5)A、B两过程能否在同一培育基上进行？不能。解析：植物组织培育是用离体的植物组织、器官或细胞接种到经消毒灭菌的培育基中，培育基含有供组织细胞生长发育所须要的无机物和小分子有机物，还有供调整细胞脱分化和再分化的细胞分裂素和生长素。由外植体发育到试管苗，脱分化阶段细胞进行有丝分裂；再分化阶段愈伤组织经细胞有丝分裂和分化形成试管苗，此阶段须要光照，缘由是叶肉细胞中叶绿素的合成须要光照条件。由于细胞分裂素和生长素对脱分化、再分化的作用不同，因此需配制生长素、细胞分裂素不同浓度比值的培育基，通过转接以便顺当完成脱分化和再分化。10．科学家将分别得到的成熟的胡萝卜韧皮部细胞进行如图所示试验，最终由单个细胞发育成了完整的植株。请回答下列问题。(1)科学家所用的这种生物技术叫植物组织培育。该项技术表明，当植物细胞处于离体状态时，在肯定的养分物质、(植物)激素和其他外界条件的作用下，可表现出全能性，发育成完整植株。(2)图中B过程称为脱分化，通过B过程产生的愈伤组织细胞与根韧皮部细胞的形态结构不同(填“相同”或“不同”)，其根本缘由是基因的选择性表达。(3)某课外小组同学用胡萝卜的愈伤组织同时进行了两组试验：甲组培育基中含3%的蔗糖，乙组培育基中不含蔗糖，经灭菌后接种，每组试验再分成两个小组，分别在光下和暗处培育。1个月后，视察愈伤组织细胞生长、分化状况，结果如表所示。培育条件甲组乙组光下正常生长，分化不生长，死亡暗处正常生长，不分化不生长，死亡由此得出的结论：①愈伤组织的生长、分化过程须要蔗糖；②光照能够促进愈伤组织的分化。解析：(1)将胡萝卜韧皮部细胞培育成完整植株须要采纳植物组织培育技术。该技术表明，当植物细胞处于离体状态时，在肯定的养分物质、植物激素和其他外界条件的作用下，可表现出全能性，发育成完整植株。(2)图中B过程表示脱分化。脱分化产生的愈伤组织细胞是无定形态态的薄壁细胞，其形态结构与根韧皮部细胞不同，两者不同的根本缘由是基因的选择性表达。(3)在有光条件下，培育基中含有蔗糖时，细胞能生长和分化，而培育基中没有蔗糖时，细胞不生长，死亡，说明愈伤组织细胞生长、分化须要蔗糖；当培育基中含有蔗糖时，在光下培育，细胞能分化，而在暗处培育，细胞不能分化，说明光能够促进愈伤组织细胞分化。[试验]P351．在组织培育试验中，为什么要强调所用器械的灭菌和试验人员的无菌操作？[提示]植物组织培育中用到的培育基含有丰富的养分成分，有利于培育物的生长，然而各种杂菌同样也可以在上面快速生长，所以在植物组织培育过程中污染现象常常发生。培育基一旦被污染，快速生长的各种杂菌不但会和培育物争夺养分，而且这些杂菌生长的过程中会生成大量对培育物有害的物质，导致培育物快速死亡。造成培育基污染的因素有很多，一般包括：外植体带菌、培育瓶和各种器械灭菌不彻底、操作人员操作不规范等。所以在组织培育试验中用到的