2024-2025学年高二生物人教版选择性必修3 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)×提示(1)植物细胞一般具有全能性，但并不是具有全能性的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，不含有的细胞器是叶绿体，原因是外植体经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化的细胞。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，其成分中包含(填“包含”或“不包含”)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，需要依赖环境中的有机物才能生存。(3)在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化转变成愈伤组织。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。(4)在植物组织培养的过程中，光照条件的控制：脱分化过程中一般不需要光照，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·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，立即用无菌水清洗，再用质量分数为5%的次氯酸钠溶液处理，立即用无菌水清洗，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)×提示(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3种类型(只考虑两两融合)，分别是AA、BB、AB，其中我们需要的是AB，所以原生质体融合后，我们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，主要原因是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，但是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．(2023·广东，12)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答案C解析在细胞融合前，必须先用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，再诱导原生质体融合，A正确；人工诱导植物原生质体融合可用高Ca2＋—高pH融合法，用高Ca2＋—高pH溶液可促进细胞融合，B正确；若只考虑细胞两两融合，融合的细胞中有人参根－人参根细胞、人参根－胡萝卜根细胞、胡萝卜根－胡萝卜根细胞，只有人参根－胡萝卜根细胞才是杂交细胞，C错误；杂交细胞含两种细胞的遗传物质，可能具有生长快速的优势，D正确。4．(多选)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利用了细胞膜的流动性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AD解析若只考虑两两融合，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。课时对点练[分值：100分]第1～9题，每题6分；第10～11题，每题7分，共68分。题组一细胞的全能性1．(2023·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．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。4．菊花组织培养过程中，需要用到①诱导愈伤组织培养基、②诱导生根培养基和③诱导生芽培养基。下列有关叙述正确的是()A．菊花的幼茎茎段在离体培养过程中，最后用到的培养基是③B．若接种的外植体是花药，则离体培养得到的植株都是单倍体C．培养基中含有营养物质，故诱导愈伤组织、生根、生芽期间都不需要光照D．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答案D解析再分化过程中，先诱导生芽，后诱导生根，菊花的幼茎茎段在离体培养过程中最后用到的培养基是②，A错误；花药包括花药壁(一种体细胞)和花粉，如果由花药壁发育而来，则是二倍体，B错误；诱导愈伤组织期间一般不需要光照，后续诱导生芽、生根过程中，每日需要给予适当时间和强度的光照，C错误。5．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．(2023·江苏，13)研究者通过体细胞杂交技术，探索利用条斑紫菜和拟线紫菜培育杂种紫菜。下列相关叙述正确的是()A．从食用紫菜的动物消化道内提取蛋白酶，用于去除细胞壁B．原生质体需在低渗溶液中长期保存，以防止过度失水而死亡C．检测原生质体活力时可用苯酚品红或甲紫溶液处理，活的原生质体被染色D．聚乙二醇促进原生质体融合后，以叶绿体颜色等差异为标志可识别杂种细胞答案D解析从食用紫菜的动物消化道内提取蛋白酶，不能用于去除细胞壁，因为紫菜细胞的细胞壁成分主要为纤维素和果胶，A错误；获得的原生质体若处在低渗溶液中，会吸水涨破，B错误；检测原生质体活力时可用台盼蓝染色，活的原生质体不能被染色，C错误；聚乙二醇作为诱导剂可促进原生质体融合，对于杂种细胞可以以叶绿体颜色等差异为标志来进行识别，D正确。8．(2024·徐州高二调研)如图为番茄(2n＝24)和马铃薯(4n＝48)体细胞杂交示意图，①～⑤表示过程，a～f表示结构。下列相关说法错误的是()A．a和b均为原生质体，②过程可采用电融合法、离心法或PEG融合法B．③为再生细胞壁，c的形成是原生质体诱导融合成功的标志C．④过程通常需要避光培养，e需培养在无菌的容器中D．图中杂种植株理论上为可育的六倍体，每个染色体组中染色体数相同答案B解析③为再生细胞壁，c为整合的原生质体，d为杂种细胞，原生质体诱导融合成功的标志是再生出细胞壁，B错误。9．(2024·湖北，11)植物甲抗旱、抗病性强，植物乙分蘖能力强、结实性好。科研人员通过植物体细胞杂交技术培育出兼有甲、乙优良性状的植物丙，过程如图所示。下列叙述错误的是()A．过程①中酶处理的时间差异，原因可能是两种亲本的细胞壁结构有差异B．过程②中常采用灭活的仙台病毒或PEG诱导原生质体融合C．过程④和⑤的培养基中均需要添加生长素和细胞分裂素D．可通过分析植物丙的染色体，来鉴定其是否为杂种植株答案B解析酶解是为了去除植物细胞的细胞壁，过程①中酶处理的时间不同，说明两种亲本的细胞壁结构有差异，A正确；过程②为原生质体的融合，常用化学试剂如PEG诱导原生质体融合，灭活的仙台病毒可诱导动物细胞融合，不能用于植物原生质体融合，B错误；过程④脱分化和⑤再分化的培养基中均需要添加生长素和细胞分裂素，但二者在两过程中的比例不同，C正确；植物丙是植物甲和植物乙体细胞杂交形成的个体，应具备两者的遗传物质，因此可通过分析植物丙的染色体，来鉴定其是否为杂种植株，D正确。10．(多选)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ABD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．(多选)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而升高答案AC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错误。12．(16分)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)试管苗的根细胞没