高中生物 专题二 细胞工程 211 植物细胞工程的基本.docx

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高中生物专题二细胞工程211植物细胞工程的基本

2．1　植物细胞工程

2．1.1　植物细胞工程的基本技术

目标导航　1.以胡萝卜的组织培养为例，简述植物组织培养技术的原理和过程。

2.结合教材图2－5，描述植物体细胞杂交技术的原理和过程。

一、细胞工程和细胞的全能性（阅读P32－34）

1．细胞工程的含义

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

2.细胞的全能性

（1）定义：

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。

（2）植物细胞全能性实现的条件：

离体、提供适宜的营养条件和激素。

（3）影响全能性表达的原因：

在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会有选择性地表达出各种蛋白质，从而构成生物体的不同组织和器官。

二、植物组织培养（阅读P34－36）

1．理论基础：

植物细胞的全能性。

2．前提：

离体的植物器官、组织、细胞。

3．条件：

无菌和人工控制条件下、人工配制的培养基上、适宜的营养条件。

4．结果：

诱导产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整植株。

5．胡萝卜的组织培养过程

三、植物体细胞杂交技术（阅读P36－37）

1．概念：

将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。

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）诱导原生质体融合的方法

①物理法：

离心、振动、电激等。

②化学法：

用聚乙二醇（PEG）诱导。

3．意义：

克服了远缘杂交不亲和的障碍。

判断正误：

（1）细胞工程是通过分子水平上的操作，按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。

（　　）

（2）在理论上，生物的每个细胞都具有发育成完整植株的潜力。

（　　）

（3）细胞全能性的大小依次是：

受精卵>生殖细胞>体细胞。

（　　）

（4）植物的种子能发育成完整的植株，体现了细胞的全能性。

（　　）

（5）植物组织培养的理论基础是基因的选择性表达。

（　　）

（6）离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程属于脱分化。

（　　）

（7）植物体细胞杂交的理论基础是细胞膜的流动性和细胞的全能性。

（　　）

（8）人工诱导原生质体融合的方法有物理法（离心、振动、电激等）和化学法（聚乙二醇处理）。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）√　（4）×　（5）×　（6）×　（7）√　（8）√

一、植物组织培养技术

1．植物细胞的全能性

（1）原因：

分化的体细胞（或细胞核）具有本物种个体发育所需要的全部基因。

（2）体现：

在适合条件（如离体状态等）下，有些分化的细胞能恢复分裂、重新分化并发育成完整的新个体。

（3）全能性大小比较：

①受精卵（全能性最高）＞卵细胞（也具有较高的潜在全能性）＞体细胞（全能性较低）。

②未分化或分化程度低的细胞＞分化程度高的体细胞。

③植物细胞＞动物细胞；增殖的细胞＞不增殖的细胞。

④随着细胞分化程度的不断提高，细胞的全能性逐渐减小。

2．植物组织培养的过程

外植体（离体的植物器官、组织或细胞）愈伤组织根、芽―→植物体。

名称

过程

形成体特点

培养基

光

脱分化

由外植体脱分化为愈伤组织

排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞团

生长素与细胞分裂素的比例适中

避光

再分化

由愈伤组织分化为幼苗或胚状结构

有根、芽或有生根发芽的能力

上述比例小

需光

营养生长、生殖生长

发育成完整的植物体

由根、茎、叶、花、果实、种子组成

自身产生各种激素

需光

3.植物组织培养的影响因素

（1）灭菌：

①所有的实验用具严格灭菌。

②接种过程严格的无菌操作。

（2）严格控制光照：

在愈伤组织的诱导阶段往往要暗培养，而在分化再生的阶段一定要有光照。

因为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，若有光照则容易分化产生维管组织，不利于产生大量的愈伤组织。

（3）植物激素在植物组织培养中的应用

生长素/细胞分裂素的比值

作用效果

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

1．请比较基因工程和细胞工程的概念，总结二者的不同。

答案　

（1）操作水平：

基因工程是分子水平的操作，细胞工程是细胞水平或细胞器水平的操作。

（2）目的：

基因工程的目的是创造出符合人们需要的新的生物类型和生物产品，细胞工程的目的是按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品。

2．理论上每种活细胞都具有全能性，请分析细胞具有全能性的原因。

答案　活细胞都具有发育成该物种个体所需的全套遗传物质。

3．为什么在生物的生长发育过程中，细胞并不会表现出全能性？

答案　在特定的时间和空间条件下，细胞内的基因进行选择性表达。

4．结合胡萝卜的组织培养实验，思考下列问题：

（1）在植物组织培养过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？

答案　避免杂菌在上面迅速生长消耗营养，且有些杂菌会危害培养物的生长。

（2）为什么切取胡萝卜根的形成层？

其他部分也能培养成小植株吗？

答案　胡萝卜根的形成层容易诱导形成愈伤组织，其他部分如叶、花也能培养成小植株，只是稍微困难些。

（3）诱导愈伤组织的过程中是否都应避光培养？

答案　不一定。

用不同植物或同一植物不同部位的组织细胞，诱导出愈伤组织所需的条件不一定相同。

（4）若培养物取自植物的幼茎、叶片等含有叶绿体的部位，愈伤组织中是否会含有叶绿体？

答案　培养物经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞，愈伤组织中不含有叶绿体。

1．下图表示四倍体兰花叶片通过植物组织培养形成植株的过程，相关叙述中正确的是（　　）

A．②和③阶段会发生减数分裂

B．①阶段需生长素而③阶段需细胞分裂素

C．①阶段有细胞增殖但无细胞分化

D．此兰花的花药离体培养所得植株为二倍体

问题导析　

（1）图中①是脱分化，②、③是再分化。

②和③阶段会发生有丝分裂。

（2）①阶段和③阶段都需生长素和细胞分裂素，只是二者比例不同。

（3）此兰花的花药离体培养所得植株为单倍体。

答案　C

一题多变

判断正误：

（1）植物体的细胞发育成完整个体才体现了全能性。

（　　）

（2）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。

（　　）

（3）植物体内某些体细胞没有表现出全能性，其原因是所含基因不同。

（　　）

（4）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。

（　　）

答案　

（1）√　

（2）√　（3）×　（4）×

二、植物体细胞杂交技术

1．植物体细胞杂交有关知识点

名称

植物体细胞杂交

原理

细胞膜的流动性（植物体细胞融合）、植物细胞的全能性（植物组织培养）

融合前处理

酶解法去壁

诱导方法

物理法、化学法

原理

第一步

原生质体的制备

第二步

原生质体的融合与筛选

第三步

杂种细胞的形成与培养

第四步

杂种植株的鉴定与筛选

用途

克服远缘杂交不亲和的障碍，获得具有优良性状的杂种植株

2.植物体细胞杂交过程中的注意事项

（1）原生质体融合的原理是细胞膜具有流动性。

（2）植物细胞融合完成的标志是杂种细胞再生出细胞壁。

（3）与传统有性杂交相比，其优越性的表现

①克服植物远缘杂交不亲合的障碍，打破了物种之间的生殖隔离。

②扩大遗传重组的范围。

（4）体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管染色体、基因组还是染色体组都采用直接相加的方法。

若一植物细胞含有2x条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb，另一植物细胞含有2y条染色体，2个染色体组，基因型为ccDd，则新植株应为异源四倍体，其体细胞中染色体为（2x＋2y）条，4个染色体组，基因型为AabbccDd。

1．去除植物细胞壁为什么要用纤维素酶和果胶酶？

答案　因为植物细胞壁的化学成分主要是纤维素和果胶；酶具有专一性，纤维素酶和果胶酶能够催化分解细胞壁，而对细胞膜没有破坏作用。

2．体细胞融合成功后培养基中共有5种细胞类型（A、B、AA、BB、AB），其中融合细胞类型有3种，而真正符合要求的是AB，因此要对融合细胞进行筛选。

3．植物体细胞杂交技术属于无性生殖还是有性生殖？

属于哪种变异类型？

为什么说杂种植株具有两个亲本的遗传性状？

答案　植物体细胞杂交技术没有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；由于含有两个亲本的遗传物质，因此具有两个亲本的遗传性状。

4．培育新品种的过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔的遗传定律？

为什么？

答案　不遵循。

只有在有性生殖进行减数分裂过程中才符合遗传定律，而体细胞杂交没有此过程。

5．回答下列关于植物体细胞杂交产生的“白菜—甘蓝”的相关问题：

（1）用传统的方法可否产生？

（2）“白菜—甘蓝”为什么能表现出两种植物的遗传性状？

（3）融合成的杂种细胞内染色体组成有何特点？

答案　

（1）不能，因为不同物种之间存在生殖隔离。

（2）体细胞杂交培育而成的“白菜—甘蓝”具有两个亲本的遗传物质，因此能表现出两种植物的遗传性状。

（3）植物体细胞杂交后，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然有其同源染色体，因此从理论上讲均是可育的，但育性会降低。

6．区分植物组织培养与植物体细胞杂交的两种方法

（1）看后代

①植物组织培养是利用单一亲本的组织或细胞，经培养使之增殖、分化成为一个完整植株，为无性生殖过程，因此其后代一般均能保持该亲本的遗传特性。

②植物体细胞杂交的本质是将两种不同来源的原生质体，在人为条件下进行诱导融合。

由于植物细胞具有全能性，融合之后的杂种细胞可以再生出具有双亲性状的杂种植株。

（2）看关系：

杂种细胞需经植物组织培养才能发育为具有双亲遗传特性的杂种植株，否则将无任何意义，因此，植物组织培养是植物体细胞杂交的基础。

2．利用体细胞杂交技术获得了“番茄—马铃薯”杂种植株，实验过程如图所示，遗憾的是该杂种植株并非是想象中的地上长番茄、地下结马铃薯的“超级作物”。

（1）材料中所用到的植物体细胞杂交技术应用到原生质体融合和__________________________技术，该技术的理论基础是_________________________________________。

（2）图中①步骤所示植物细胞用__________________除去细胞壁，分离出有活力的原生质体。

（3）图中②过程细胞两两融合时，可出现________种融合细胞，要促进杂种细胞分裂生长，培养基中应有________和________两类激素。

（4）由杂种细胞培育成试管苗，需要经过细胞的④________和⑤________过程。

其中⑤过程必须给予光照，其原因是________能利用光能制造有机物，供试管苗生长发育。

（5）利用马铃薯和番茄的______________得到单倍体植株，然后取单倍体植株细胞进行体细胞杂交，再用________处理之后也可得到可育的“番茄—马铃薯”杂种植株。

问题导析　

（1）植物体细胞杂交要应用植物组织培养技术才能得到杂种植株，其理论基础是植物细胞的全能性。

（2）细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，因此用纤维素酶和果胶酶可以特异性地去除细胞壁。

（3）甲、乙两种细胞融合时，可能会出现三种情况：

甲、甲融合，乙、乙融合，甲、乙融合，其中甲、乙融合类型的细胞才是最终需要的杂种细胞；植物组织培养过程中需要的激素主要有两种：

生长素和细胞分裂素。

（4）杂种细胞经脱分化和再分化过程形成完整植株，愈伤组织再分化成幼苗时需要光照合成叶绿