高中生物苏教版选修3教学案第二章第一节细胞工程概述含答案.docx

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高中生物苏教版选修3教学案第二章第一节细胞工程概述含答案

第一节细胞工程概述

1.细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞或细胞器水平上的操作，按照人们的意愿去改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的综合性科学技术。

2．细胞工程根据研究对象的不同分为植物细胞工程和动物细胞工程等；根据所使用技术的不同，分为植物组织培养、细胞融合和细胞核移植等技术。

3．植物组织培养的主要过程是：

选材→消毒→接种→诱导分化→诱导再分化→炼苗移植。

细胞工程的概念和植物组织培养技术

1．细胞工程的概念

（1）细胞工程的含义：

原理方法

细胞生物学和分子生物学

操作水平

细胞或细胞器

实施目的

改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品

（2）细胞工程的类型

①据操作对象：

植物细胞工程和动物细胞工程等。

②据使用技术：

植物组织培养技术、细胞融合技术和细胞核移植技术等。

2．植物组织培养技术

（1）细胞的全能性：

①含义：

生物体的细胞都具有发育成为一个新的生物个体的潜能。

②根本原因：

几乎每一个细胞内都含有该物种的全套遗传物质，具有发育成为完整个体所必需的全部基因。

（2）植物组织培养的概念：

①原理：

植物细胞的全能性。

②条件：

无菌、适宜的营养等。

③常用材料：

植株的器官、组织、细胞或原生质体等。

④场所：

培养基中。

（3）植物组织培养的主要步骤：

1．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？

提示：

在特定的时间和空间条件下，细胞内的基因进行了选择性表达。

2．植物的种子发育成完整植株，是否体现了细胞的全能性？

为什么？

提示：

没有。

因为细胞的全能性是指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能，而种子中的胚已完成了早期发育，相当于新植物体的幼体，没有体现细胞发育成完整植物体的能力。

3．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？

提示：

避免杂菌污染培养基。

培养基一旦被污染，迅速生长的各种杂菌不但会和培养物争夺营养，而且这些杂菌在生长的过程中会生成大量对培养物有害的物质，导致培养物迅速死亡。

（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？

提示：

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。

1．细胞全能性大小的比较

（1）植物细胞>动物细胞（动物细胞只有细胞核具有全能性）。

（2）受精卵>生殖细胞（精子、卵细胞）>体细胞。

（3）体细胞：

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；幼嫩的细胞>衰老的细胞。

（4）随着细胞分化程度的不断提高，细胞的全能性逐渐降低。

2．植物细胞表现全能性的条件

材料

离体的细胞、组织或器官

培养基

种类齐全、比例合适的营养物质及一定的植物激素

外界条件

①无菌操作；②光照：

愈伤组织的形成和生长需要避光培养，分化培养需见光

[特别提醒]

（1）全能性表达的标志：

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。

3．植物组织培养中各过程的比较

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大

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

[特别提醒]　植物组织培养并不是全程都需要光照

①光照条件包括光照强度、时间和波长等，对于植物组织培养来说非常重要。

②在愈伤组织的诱导阶段往往要暗培养（有利于细胞的脱分化产生愈伤组织，如果是在光照条件下，容易分化产生维管等组织，不利于产生大量的愈伤组织），而在再分化的过程中一定要有光照。

4．生长素和细胞分裂素用量及比例对植物组织培养的影响

生长素/细胞分裂素的比值

作用效果

比值高时

促进根分化、抑制芽形成

比值低时

促进芽分化、抑制根形成

比值适中

促进愈伤组织形成　　

[特别提醒]　巧记“生长素和细胞分裂素用量及比例对植物组织培养的影响”

“比值高，根分化；比值低，芽分化；比值适中，不分化”。

即“高根低芽中愈伤”。

细胞融合技术与细胞核移植技术

1．细胞融合技术

（1）概念理解：

①含义：

细胞融合技术是采用自发或人工的方法使两个或多个细胞融合为一个细胞的技术。

②常用促融合方法：

生物法、化学法和物理法。

植物细胞融合前需要用纤维素酶等去除细胞壁。

③不同种生物的体细胞融合称为体细胞杂交。

（2）应用实例（以“白菜—甘蓝”的培育为例）：

①过程：

②优点：

可以逾越种间、属间的杂交屏障培育出新的生物体。

2．细胞核移植技术

（1）概念：

动物细胞核移植技术是把一个动物细胞的细胞核移入一个已经去除细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育为一个新的胚胎，最终发育为一个动物个体的技术。

（2）应用：

克隆动物。

（3）发展：

移植细胞中的各种细胞器。

1．植物细胞融合前为什么要先去除细胞壁？

提示：

细胞壁会阻碍原生质体的融合。

2．细胞融合技术的结构基础是什么？

提示：

细胞膜具有一定的流动性。

3．细胞核移植技术中，遗传物质是否发生了改变？

提示：

遗传物质发生了改变。

因为重组细胞中的遗传物质来自两个细胞。

4．某科研所从国外进口一头优质肉牛，用什么技术能尽快地培育出一批几乎与这头肉牛一样的品种？

提示：

运用细胞核移植技术进行克隆。

1．细胞工程与基因工程的比较

项目

细胞工程

基因工程

不同点

操作水平

细胞水平

基因或（DNA分子）水平

技术方法

细胞融合、细胞培养、细胞核移植、染色体工程等

体外对基因“剪切”和“拼接”等方法

实施目的

培育新品种或新物种，及获得细胞代谢产物

改良生物品种，获得人类需要的基因产物

相同点

两者都可以定向改变生物体内的遗传物质，从而使人们获得基因产物或生物新品种，在育种上都能打破物种间的界限

[特别提醒]

（1）细胞工程和基因工程都可以突破物种间的遗传障碍，打破物种间杂交不亲和的障碍。

（2）细胞工程所依据的原理是染色体变异，基因工程所依据的原理是基因重组。

2．关于细胞融合技术与细胞核移植技术的归纳

（1）细胞融合技术：

①融合原理：

细胞膜的流动性。

②融合对象：

两个或多个不同细胞。

③促融合方法：

生物法（如病毒诱导融合法）、化学法（如聚乙二醇诱导融合法）、物理法（如电场诱导融合法）。

④融合结果：

形成杂种细胞。

⑤融合过程：

两个或多个不同细胞的质膜发生粘连、破裂→细胞质发生融合→发生核融合→形成杂种细胞。

⑥融合意义：

突破有性杂交的局限，使远源杂交成为可能。

⑦不同融合方法的比较：

　类型

区别　

生物法

化学法

物理法

诱导剂（方法）

灭活的疱疹病毒、仙台病毒、天花病毒、腮腺炎病毒等

聚乙二醇、高浓度钙离子等

电场

常用方法

灭活的仙台病毒诱导

聚乙二醇诱导

电场诱导

优点

易培养，对各种动物细胞都适宜，融合率较高

使用方便，诱导细胞融合的频率高

频率高，对细胞无毒害作用，操作简便，可重复性好

缺点

病毒不稳定，制备过程烦琐，可能干扰细胞的生命活动

有一定的毒性，对某些细胞不适用

（2）细胞核移植技术：

①处理方法：

用微吸管把一个细胞中的细胞核吸出后直接转移到另一个去除细胞核的细胞中。

②体细胞：

提供细胞核。

③卵细胞：

提供细胞质。

④操作仪器：

显微操作仪。

3．植物体细胞杂交过程中的注意事项

（1）植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖且浓度略大于植物细胞质浓度，不仅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。

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

（3）体细胞杂交过程中涉及的遗传知识：

①从生殖类型上看，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，形成的是异源多倍体，由于含有两个亲本的遗传物质，因此理论上应具有两个亲本的遗传性状。

②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是两亲本之和。

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。

③培育新品种的过程中，遗传物质的传递不遵循孟德尔的遗传定律，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。

以过程图为载体，考查植物的组织培养及植物细胞的全能性

[例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．①阶段体现了细胞的全能性

B．②阶段需生长素而①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

[精讲精析]　图中①阶段是脱分化，②、③阶段是再分化。

②和③阶段会发生有丝分裂。

已分化的细胞发育成完整个体才能体现细胞的全能性。

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。

此兰花的花药离体培养所得植株虽然含两个染色体组，但为单倍体。

[答案]　C

具有全能性≠实现全能性

（1）理论上每个活细胞都具有全能性。

（2）只有发育为完整个体才能说实现了细胞全能性，即实现全能性的终点是个体，而不是组织、器官等。

1．下列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，其原因是所含基因不同

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：

选B　细胞具有全能性的原因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；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；种子发育成植株，是正常生命历程，不能反映种子具有全能性；细胞全能性的表达前提是离体培养的细胞、组织或器官。

以流程图为载体，综合考查植物体细胞杂交的过程

[例2]　（天津高考）花椰菜易受黑腐病菌的危害而患黑腐病。

野生黑芥具有黑腐病的抗性基因。

用一定剂量的紫外线处理黑芥原生质体可使其染色体片段化，并丧失再生能力。

再利用此原生质体作为部分遗传物质的供体与完整的花椰菜原生质体融合，以获得抗黑腐病杂种植株。

流程如下图。

据图回答下列问题：

（1）过程①所需的酶是______________________________________________________。

（2）过程②后，在显微镜下观察融合的活细胞中有供体的________存在，这一特征可作为初步筛选杂种细胞的标志。

（3）原生质体培养液中需要加入适宜浓度的甘露醇以保持一定的渗透压，其作用是______________________。

原生质体经过________再生，进而分裂和脱分化形成愈伤组织。

（4）若分析再生植株的染色体变异类