最新 人教版 选修3 植物细胞工程的基本技术 学案

专题2 细胞工程

第6课时植物细胞工程的基本技术

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1.描述植物组织培养的原理和过程。

2.简述植物组织培养和植物体细胞杂交技术。

3.尝试进行植物组织培养。

一、细胞工程的概念和分类

1．概念

(1)应用原理：细胞生物学和____________学。

(2)操作水平：细胞水平或________水平。

(3)操作目的：按照人的意愿改变细胞内的____________或获得细胞产品。

2．分类

根据操作对象的不同分为________工程和__________工程。

二、植物细胞的全能性

1．概念：具有某种生物________________的任何一个细胞，都具有发育成_____________，也就是说，每个生物细胞都具有________的特点。

2．现实表现：在生物的生长发育过程中，细胞并不表现____________，而是分化成各种____________。

3．原因：在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会有________地表达出各种________，分化形成不同的细胞，从而构成生物体的不同____________。

三、植物组织培养技术

1．原理：植物细胞具有________。

2．过程：高度________的组织――――→ ______组织――――→

幼根和芽→完整植株。

3．概念：在______和人工控制的条件下，将______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______组织、丛芽，最终形成完整的植株。

四、植物体细胞杂交技术

1．概念：将不同种的植物________，在一定条件下融合成____________，并把杂种细胞培育成____________的技术。

2．过程：________________――――→ 酶 酶

不同种细胞原生质体――――→人工诱导原生质体______――――→再生细胞壁____________――――→组织培养杂种植株。

3．意义：因为不同种生物之间存在______隔离，此项技术在克服不同生物____________的障碍上，取得了巨大的突破。

知识点一细胞的全能性和分化

1．下列关于细胞全能性的理解不正确的是( ) A．高度分化的植物体细胞仍具有全能性

B．细胞内含有个体发育所需的全部基因是细胞具有全能性的内在条件

C．通过植物组织培养得到试管苗，是植物细胞具有全能性的有力证据

D．玉米种子发育成玉米植株是细胞全能性的表现

2．有关全能性的叙述，不正确的是( ) A．受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体，因此全能性最高

B．生物体内细胞由于分化，全能性不能表达

C．卵细胞与受精卵一样，细胞未分化，全能性很高

D．植物细胞离体培养在一定条件下能表现出全能性

知识点二胡萝卜的组织培养

3．下图表示胡萝卜的韧皮部细胞通过无菌操作接入试管后，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________进行灭菌消毒。B阶段需要光照，原

因是________________________________________________________________________。

(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__________

的结果。

4．下图表示基因型为AaBb的水稻的花药通过无菌操作，接入试管后，在一定条件下形成试管苗的培育过程。下列相关叙述错误的是( )

A．愈伤组织是花粉细胞通过有丝分裂后形成的不规则的细胞团

B．在愈伤组织的形成过程中，必须从培养基中获得水、无机盐和小分子的有机物等营养物质

C．为促进花粉细胞分裂生长，在培养基中应加入适宜浓度的生长素等激素

D．试管苗可能出现的基因型有AABB或AAbb或aaBB或aabb

知识点三植物体细胞杂交

5．通过细胞杂交获得一个杂种植株需要的步骤是( ) A．分离原生质体→诱导原生质体融合→组织培养→得到杂种植株

B．分离原生质体→原生质体融合→组织培养→得到杂种植株

C．获取细胞→原生质体融合→组织培养→得到杂种植株

D．获取细胞→原生质体直接融合→组织培养→得到杂种植株

6．白菜、甘蓝均为二倍体，体细胞染色体数目分别为20、18。以白菜和甘蓝进行体细胞杂交可得到“白菜－甘蓝”杂种幼苗。请回答问题：

(1)白菜和甘蓝是两个不同的物种，存在________隔离。自然条件下，这两个物种

间不能通过________的方式产生后代。从杂交细胞到获得“白菜－甘蓝”杂种幼苗，所依据的理论基础是植物细胞具有________。

(2)白菜和甘蓝的体细胞在融合前应先用______________处理两种细胞的细胞壁获

得原生质体，再用________作为促融剂诱导原生质体融合进而获得杂种细胞，杂种细胞继续培养，________(是，否)进行脱分化。

(3)经筛选获得的“白菜－甘蓝”杂种幼苗体细胞中的染色体是________条。

基础落实

1．下列关于运用植物组织培养技术产生新个体的叙述，错误的是( ) A．属于无性生殖

B．主要理论依据是植物细胞具有全能性

C．培养过程中由于人工培养基含大量营养，不需光照就能发育成完整植株

D．人工培养基中含植物生长发育所需的全部营养物质，包括矿质元素、糖、维生素等

2．将花药离体培养，形成完整的植株，通常需要经过的两个阶段是( ) A．脱分化形成愈伤组织，再分化形成根、芽

B．分化形成愈伤组织，进一步分化形成根、芽

C．通过减数分裂形成配子，配子再发育形成根、芽

D．先用秋水仙素处理花粉，再进行花药离体培养

3．植物组织培养中，接种前，将胡萝卜用无菌解剖刀在无菌培养皿中切成薄片后，选取部位是

( )

A．具有木质部的部分，大小约1 cm3

B．具有韧皮部的部分，大小约1 cm3

C．具有形成层的部分，大小约1 cm3

D．具有髓的部分，大小约1 cm3

4．在植物细胞工程中，当原生质体融合成一个细胞后，需要诱导产生出细胞壁，参与这一过程的细胞器是( ) A．叶绿体、高尔基体B．线粒体、高尔基体

C．叶绿体、线粒体D．线粒体、内质网

5．将无根的非洲菊幼苗转入无植物激素的培养基中，在适宜的温度和光照等条件下培养一段时间后，应出现的现象是

( )

6．在植物细胞工程的技术中，无需激素调节的是( ) A．植物组织培养中促使细胞脱分化

B．制备植物原生质体

C．植物组织培养中促使细胞再分化

D．促使融合的植物细胞形成愈伤组织

能力提升

7．用植物细胞工程技术将天竺葵与香茅草进行杂交可产生驱蚊香草，使有驱蚊作用的香茅醛随着天竺葵的蒸腾作用散发到空气中，达到驱蚊的效果。下面有关培育过程的叙述，不正确的是( ) A．原生质体的融合常用PEG作为诱导剂

B．形成的愈伤组织其代谢类型是自养需氧型

C．由杂种细胞→杂种植株，要通过有丝分裂和细胞的分化

D．该项生物工程技术可克服远缘杂交不亲和的障碍

8．在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中，下列哪一项条件是不需要的

( )

A．消毒灭菌B．适宜的温度

的综合科学技术。

科学家从红豆杉的体细胞中分离出具有独特抗肿瘤的物质——紫杉醇。由于全世界每年紫杉醇的需求量是4 000 kg，但全世界紫杉醇的产量是250 kg，供求严重失衡，导致一些地区红豆杉资源遭到严重破坏。现在可以采用植物组织培养技术解决这一问题。

(1)植物组织培养依据的原理是_____________________________________________。

(2)在得到红豆杉的____________________后，经过消毒就可以在培养基上进行培养。人工合成的培养基中除水、蔗糖、维生素、有机添加物外，______________是其生长必需的，________是植物细胞脱分化及再分化不能缺少的调节物质。从该生产的目的看，得到__________就可以提取紫杉醇。

10．如图为A、B不同物种间体细胞杂交示意图，请回答下列问题：

(1)去除细胞壁而不损伤细胞可用________、________处理。在用促融剂处理时，使用的促融剂主要有____________________________________________________________。

(2)融合细胞中可能包括________种类型，其中杂种细胞的遗传物质组成是________________。

(3)由杂种细胞经人工诱导培养，经________分裂增加细胞数目并不断分化，逐渐发育成C植株。该植株的性状与D亲本植物的性状区别是________________。

(4)整个培养过程应用了细胞工程的________和________两大技术，这种培育杂种植株的意义是________________________________________________________________________

____________________。

综合拓展

11．转基因抗病香蕉的培育过程如图所示。质粒上有PstⅠ、SmaⅠ、Eco RⅠ、ApaⅠ等四种限制酶切割位点。请回答：

(1)构建含抗病基因的表达载体A时，应选用限制酶____________，对_______________进行切割。

(2)培养基中的卡那霉素会抑制香蕉愈伤组织细胞的生长，欲利用该培养基筛选已导入抗病基因的香蕉细胞，应使基因表达载体A中含有________________，作为标记基因。

(3)香蕉组织细胞具有__________，因此，可以利用组织培养技术将导入抗病基因的香蕉组织细胞培育成植株。图中①、②依次表示组织培养过程中香蕉组织细胞的_______________________________________________________________________________。

答案知识清单

一、1.(1)分子生物(2)细胞器(3)遗传物质

2．植物细胞动物细胞

二、1.全部遗传信息完整生物体的潜能全能性

2．全能性组织和器官

3．选择性蛋白质组织和器官

三、1.全能性

2．分化脱分化愈伤再分化

3．无菌离体愈伤

四、1.体细胞杂种细胞新的植物体

2．不同种体细胞纤维素果胶融合杂种细胞

3．生殖远缘杂交

对点训练

1．D [细胞的全能性指已经分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能，其内在的遗传基础是细胞内仍然具有个体发育所需要的全部基因，植物组织培养形成试管苗是细胞全能性的表现，A、B、C项均正确。玉米种子发育成正常植株，是正常的生命现象，不能体现细胞的全能性。]

知识链接(1)细胞表现全能性的条件

①离体状态。

②一定的营养物质和植物激素(营养物质如水、矿质元素等，植物激素主要是生长素和细胞分裂素)。

③适宜的外界条件(如温度、pH、光照等)。

(2)植物细胞的分化、脱分化、再分化

①分化：在特定时间和空间下基因选择性表达的过程，细胞分化后在形态和功能上出现稳定性的差异。

②脱分化：细胞失去特有的细胞结构和功能，形成未分化细胞的过程。

③再分化：由愈伤组织分化形成芽和根的过程。再分化的关键是调整生长素和细胞分裂素的比例。

④激素与分化：适当提高生长素/细胞分裂素的比例容易生根，适当提高细胞分裂素/生长素的比例容易生芽，比例适中诱导产生愈伤组织。

2．C [在离体和适当的条件下，分化的体细胞才能表达其全能性。全能性表达的容易程度为：受精卵＞生殖细胞＞体细胞；植物细胞＞动物细胞，即在生物体的所有细胞中，受精卵的全能性最高；生殖细胞其次，尤其是卵细胞，虽然分化程度较高，但是仍然具有较高的潜在全能性；体细胞再次，植物细胞的全能性要高于动物细胞，高度分化的动物体细胞的全能性受限制，严格来说只有高度分化的动物细胞核才具有全能性。]

归纳提升全能性和分化程度关系

(1)在体细胞中全能性：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)不同细胞全能性：受精卵＞生殖细胞＞干细胞＞体细胞；

(3)不同生物全能性：植物细胞＞动物细胞。

3．(1)无机物生长素(2)细胞的全能性有丝分裂分化(3)培养基芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件(4)选择性表达

解析植物组织培养是用离体的植物组织、器官或细胞接种到经消毒灭菌的培养基中，培养基含有供组织细胞生长发育所需要的无机物和小分子有机物，还有调节细胞脱分化和再

分化的细胞分裂素和生长素。由外植体发育成试管苗。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，此阶段需要光照，原因是叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件。

知识链接 (1)实验原理

离体的植物组织、器官或细胞――――――――――→一定的营养物质、激素脱分化愈伤组织――――――――――――→含有不同激素的分化培养基

再分化

胚状体或丛芽→试管苗

(3)实验关键

①取材：应选择含形成层的部分，易于诱导形成愈伤组织。

②全程无菌操作(包括接种用具、接种环境和接种材料、接种过程、培养过程)。 ③植物激素的比例适当。

④条件：植物组织培养过程中光照条件非常重要，包括光照强度、时间和波长。但在愈伤组织的诱导阶段往往要暗培养，而在分化再生的过程中一定要有光照。愈伤组织诱导阶段的暗培养有利于细胞的脱分化，产生愈伤组织，因为在光照条件下容易分化产生维管组织，不利于产生大量的愈伤组织。

4．D [花粉是通过减数分裂形成的，其基因型为AB 或Ab 或aB 或ab ，由花粉发育而来的个体未经秋水仙素处理，是单倍体。]

思路导引 解题关键是看清组织培养的材料——花药，即进行花药离体培养，然后结合

组织培养的条件依次判断。

5．A [植物体细胞杂交过程中首先获得原生质体；其次是原生质体的融合，需要在人为诱导下完成。]

知识链接植物体细胞杂交

(1)图示过程

(2)该技术的目的

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就结束。杂种植株特征：具备两种植物的遗传特性，原因是杂种植株中含有两种植物的遗传物质。

(3)该技术在育种上应用时最大的优点

克服远缘杂交不亲和的障碍。

(4)未解决的问题

目前还不能让杂种植物完全按人们的需要去表达亲代的优良性状，如番茄—马铃薯。

6．(1)生殖杂交(有性生殖) 全能性(2)纤维素酶、果胶酶聚乙二醇(PEG) 是(3)38

解析(1)不同物种间存在生殖隔离，自然条件下无法进行有性生殖。从杂交细胞到杂种幼苗，进行的过程为植物组织培养，其理论基础是植物细胞的全能性。(2)若要获得原生质体，应用酶解法去除细胞壁，如纤维素酶、果胶酶。然后可用PEG作为促融剂诱导原生质体融合，形成杂种细胞后，经脱分化、再分化形成杂种植株。(3)杂种植株体细胞的染色体数为白菜、甘蓝染色体数之和，即38。

思路导引本题主要考查植物体细胞杂交的相关知识，解题关键是画出体细胞杂交过程流程图(如下)，然后逐项分析作答。

归纳提升(1)植物体细胞杂交知识归纳：

①植物体细胞杂交的障碍

a．植物细胞都有细胞壁。根据酶的专一性原理，用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。

b．原生质体融合。人工诱导方法包括物理法，如离心、振动、电激；化学法，如聚乙二醇(PEG)等。

②杂种细胞的类型

有三种：AA、BB、AB，符合要求的只有AB，需要进行筛选。

③杂种细胞AB形成的标志：新的细胞壁的生成。

④杂种植株遗传物质的变化：细胞融合属于染色体变异，杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和，形成异源多倍体。

⑤植物体细胞杂交的原理：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细胞的全能性。

(2)植物体细胞杂交与植物有性杂交的不同

①植物体细胞杂交

若两个不同品种的植物细胞A、B进行融合，A含有2X条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb，B含有2Y条染色体，2个染色体组，其基因型为ccDd，则新植株应为四倍体，其体细胞中染色体数为2X＋2Y，基因型为AabbccDd，从中不难看出，体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管染色体数、基因组数还是染色体组数都采用直接相加的方法。

②植物有性杂交

有性杂交的结果：子代细胞中染色体数，基因型分别为“X＋Y”、“AbcD”或“abcD”或“Abcd”或“abcd”，即先减半再相加。

③有性生殖过程符合孟德尔遗传定律，而植物体细胞杂交则不符合孟德尔遗传定律。

课后作业

1．C [植物组织培养是根据植物细胞具有全能性的理论，利用植物离体的器官、组织或细胞，在无菌和适宜的人工培养条件下，能诱导出愈伤组织、不定芽、不定根，最后形成完整的植株，属于无性生殖。人工培养基中虽含有植物生长发育所需的全部营养物质，但仍需光照、温度等条件。]

2．A [花药离体培养应用了植物的组织培养技术，植物的组织培养包括脱分化和再分化两个过程。]

3．C [植物组织培养中，外植体经脱分化形成愈伤组织，但外植体脱分化的难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而差异很大。形成层细胞主要由分裂能力强的细胞组成，容易脱分化形成愈伤组织。]

4．B [细胞壁的形成过程与高尔基体密切相关，因为高尔基体产生的许多小囊泡聚集形成了细胞壁的前体，线粒体在此过程中提供能量。]

5．B [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；此题中虽然培养基中没有植物激素，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是根尖，细胞分裂素不能产生，所以植物能够在一段时间后长出少量的根而没有出芽。]

6．B [植物体细胞杂交技术中，制备原生质体用酶解法，不需激素调节，而植物组织培养技术需要激素调节。]

7．B [天竺葵与香茅草经植物体细胞杂交，产生驱蚊香草，培育过程中先用酶解法去掉细胞壁，然后诱导原生质体融合，常用的诱导剂为PEG ，融合后的原生质体再生细胞壁，形成杂种细胞，杂种细胞经过组织培养，形成杂种植株。组织培养形成的愈伤组织不能进行光合作用，其代谢类型为异养需氧型。]

8．C [形成愈伤组织，需要在消毒灭菌条件下进行。由于此阶段形成的是愈伤组织，并没有形成具有根、茎、叶的植物体，因此不需要光照。]

9．(1)植物细胞的全能性 (2)离体组织、细胞或外植体 矿质元素或无机盐 植物激素 愈伤组织

解析 植物组织培养的原理是细胞的全能性；其过程是：离体组织、细胞――→脱分化愈伤组织――→再分化根、芽―→植株。若要获得细胞产物，只需得到愈伤组织即可。

10．(1)纤维素酶 果胶酶 PEG(或聚乙二醇)

(2)3 A 和B 植物的遗传物质之和

(3)有丝 具有A 和B 两种植物的性状

(4)体细胞杂交 植物组织培养 克服生物远缘杂交不亲和的障碍

11．(1)Pst Ⅰ、Eco R Ⅰ 含抗病基因的DNA 、质粒

(2)抗卡那霉素基因 (3)全能性 脱分化、再分化

解析 (1)从图可看出，只有Pst Ⅰ、Eco R Ⅰ两种酶能保持抗病基因结构的完整性，所以构建含抗病基因的表达载体A 时，应选用限制酶Pst Ⅰ、Eco R Ⅰ对含抗病基因的DNA 和质粒进行切割。(2)卡那霉素能抑制香蕉愈伤组织细胞的生长，欲利用该培养基筛选已导入抗病基因的香蕉细胞，应使基因表达载体A 中含有抗卡那霉素基因，以此作为标记基因。(3)香蕉组织细胞具有全能性，因此，可以利用组织培养技术将导入抗病基因的香蕉组织细胞培育成植株。图中①、②依次表示组织培养过程中香蕉组织细胞的脱分化和再分化。