配套K12学习学年高中生物 专题2 细胞工程 21 植物细胞工程 21.docx

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配套K12学习学年高中生物专题2细胞工程21植物细胞工程21

2.1.2　植物细胞工程的实际应用

[学习目标]　1.说明植物细胞工程在植物繁殖方面的应用。

2.列举植物细胞工程在作物新品种培育方面的应用。

3.概述细胞产物的工厂化生产的原理。

方式一　拯救国家极危植物——虎颜花

虎颜花为野牡丹科单种属植物，原产广东，为罕见的野生观赏植物，有重要的科研价值。

虎颜花叶片基生，叶形巨大、美丽，呈心形，上有老虎斑纹，故称虎颜花。

国际自然保护联盟已将虎颜花列为极危物种。

为拯救虎颜花，我国华南植物园的科学家对虎颜花进行了组织培养，获得1万株试管苗，又利用生态恢复技术，使虎颜花成功回归野外。

这体现了植物细胞工程的实际应用。

那么植物细胞工程技术在生产生活中还有哪些方面的应用呢？

让我们进入本节的学习，一起来了解吧！

方式二　具有小灵芝草之称的金钗石斛是一种名贵的中草药，它具有生津益胃、润肺止咳之功效。

金钗石斛的有效化学成分为大黄酚和β－谷甾醇。

那么我们能否在工厂内大量生产这两种物质呢？

能！

取金钗石斛的茎尖或根尖组织，并培养为愈伤组织再放入液体培养基中进行悬浮培养，获得大量的金钗石斛细胞，从混合液中分离纯化大黄酚和β－谷甾醇即可。

这是植物细胞工程实际应用的一个实例，要了解更多这方面的信息，请跟随教材一起来学习吧。

一、植物繁殖的新途径

1．微型繁殖

（1）概念：

用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。

（2）特点

2．作物脱毒

（1）选材部位：

无病毒的植物分生区附近的部位。

（2）优点：

提高作物的产量和品质。

（3）实例：

脱毒马铃薯的培育。

3．人工种子

（1）概念：

以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。

（2）优点

①繁殖周期短。

②后代不发生性状分离，能够保持亲本的优良性状。

③不受季节、气候和地域的限制，并可节约土地。

归纳总结

　关于人工种子

（1）各部分的功能

针对植物种类和土壤等条件，在人工种子的包裹剂（人工种皮）中应具有适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等。

为了促进胚状体的生长发育，还可以向人工种皮中加入一些植物生长调节剂。

（2）制备流程：

诱导植物愈伤组织的形成→体细胞胚的诱导→体细胞胚的成熟→机械化包装→储藏或种植。

（3）两个误区

①人工种子不是有性生殖，而是无性繁殖，可以完全保持优良品种的遗传特性。

②人工种子萌发的植株不一定都可育，茎尖、芽尖、花粉等细胞都可以培育成胚状体，制作人工种子，若是用花粉发育来的胚状体制备人工种子，则其萌发的植株一般不可育。

例1

　如图为培育甘蔗脱毒苗的两条途径，研究发现经②过程获得的幼苗脱毒效果更好。

下列相关叙述错误的是（　　）

A．①过程所取茎尖中的叶原基具有较高的分裂、分化能力

B．②过程的作用可能是阻碍病毒等进入茎尖分生组织

C．③④过程中基因的选择性表达导致了细胞脱分化

D．培养基A、B中生长素和细胞分裂素的含量和比例不同

答案　C

解析　③④过程中基因的选择性表达导致了细胞再分化，C错误。

例2

　某种极具观赏价值的兰科珍稀花卉很难获得成熟种子。

为尽快推广种植，可应用多种技术获得大量优质苗，下列技术中不能选用的是（　　）

A．利用茎段扦插诱导生根技术快速育苗

B．采用花粉粒组织培养获得单倍体苗

C．采集幼芽嫁接到合适的其他种类植物体上

D．采用幼叶、茎尖等部位的组织进行组织培养

答案　B

解析　为了使优质苗的生物性状不发生性状分离，可采用茎段扦插诱导生根技术快速育苗，也可采用将幼芽嫁接到合适的其他种类植物体上的方法或用茎尖、幼叶等部位的组织进行植物组织培养获得大量优质苗；花粉粒是减数分裂的产物，利用花粉粒离体培养得到的是单倍体苗，其高度不育，且会发生性状分离，因此B项方案不能选用。

二、作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产

1．单倍体育种

（1）原理：

细胞的全能性和染色体变异。

（2）过程：

花药

单倍体植株

稳定遗传的优良品种。

（3）优点

①子代是能稳定遗传的纯合子。

②明显缩短育种年限。

2．突变体的利用

（1）原理

①基因突变（用射线或诱变剂处理分生细胞，主要是指愈伤组织细胞）。

②植物细胞的全能性（由突变细胞培育得到突变体植株）。

（2）过程

（3）利用：

筛选出有用的突变体，培育新品种。

如培育抗病、抗盐、含高蛋白、高产的新品种植物。

（4）实例：

抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的野生烟草、抗除草剂的白三叶草等。

3．细胞产物的工厂化生产

（1）种类：

蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。

（2）技术：

植物组织培养技术。

（3）过程

（4）实例：

人参、三七、紫草和银杏的细胞产物都已实现工厂化生产。

归纳总结

1．植物组织培养与植物细胞培养的比较

项目

植物组织培养

植物细胞培养

目的

获得植物体

获得细胞产物

过程

实例

获得脱毒苗

人参皂甙的生产

2.几种育种方法的比较

项目

原理

优点

缺点

成果

植物体细胞杂交

细胞的全能性和细胞膜的流动性

能克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍，扩大了可用于杂交的亲本组合的范围

不能让杂种植株完全按照人们的要求表现出亲代的性状

烟草—海岛烟草、胡萝卜—羊角芹、白菜—甘蓝等

单倍体育种

染色体变异和细胞全能性

一般情况下，所得品种能稳定遗传，明显缩短育种年限

技术复杂，操作困难

单育1号烟草品种、中花8号水稻、中花11号水稻和京花1号小麦等

体细胞诱变育种

基因突变和植物细胞的全能性

可产生新基因，大幅度改良某些性状

基因突变具有不定向性和多害少利性，需要处理大量的突变材料，才能筛选出目标品种

抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的野生烟草等

基因工

程育种

基因重组

目的性强，育种周期短，打破了物种界限，可以定向改造生物的遗传性状

技术复杂，转基因生物及其产物具有一定的安全隐患

抗虫棉、产人胰岛素的大肠杆菌等

例3

　下图是利用某植物（基因型为AaBb）产生的花粉进行单倍体育种的示意图，据图判断下列说法错误的是（　　）

花粉

植株A

植株B

A．过程②通常使用的试剂是秋水仙素，作用时期为有丝分裂前期

B．通过过程①得到的植株既有纯合子又有杂合子

C．过程①属于植物的组织培养，在此过程中必须使用一定量的植物激素

D．与杂交育种相比，该育种方法的优点是能明显缩短育种年限

答案　B

解析　该过程是单倍体育种过程，所以过程①是花药离体培养，获得的是单倍体，基因型为AB、Ab、aB、ab4种，经染色体加倍后的植株B都为纯合子；过程②使用秋水仙素使染色体数目加倍，作用的机理是抑制有丝分裂前期纺锤体的形成，到后期染色单体分开后不能向细胞两极移动；过程①属于植物的组织培养，需要生长素和细胞分裂素的诱导。

例4

　下列生物工程技术的实际应用过程中，能形成愈伤组织的是（　　）

①作物脱毒　②细胞产物的工厂化生产　③生产人工种子　④转基因植物的培养

A．①②③B．①②④

C．①③④D．①②③④

答案　D

解析　作物脱毒、细胞产物的工厂化生产、生产人工种子都是植物细胞工程的实际应用，其技术基础是植物的组织培养技术，都有脱分化形成愈伤组织的过程。

转基因植物的培养利用的是基因工程技术和植物组织培养技术，该过程中也要形成愈伤组织。

　植物细胞工程的实际应用

1．植物的微型繁殖技术是指（　　）

A．植物体细胞杂交技术B．嫁接

C．营养繁殖D．植物组织培养

答案　D

解析　用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，叫植物的微型繁殖技术，也叫快速繁殖技术。

2．人工种子是以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。

下列与人工种子的形成过程无关的是（　　）

A．细胞的脱分化和再分化

B．细胞全能性

C．细胞的有丝分裂

D．细胞的减数分裂

答案　D

解析　人工种子的获得应用了植物组织培养技术，该技术不涉及细胞的减数分裂。

3．下列属于植物细胞工程实际应用实例的是（　　）

①制造人工种子　②培育抗盐植物　③培育抗病毒烟草④培育单倍体　⑤生产脱毒植株

A．①②③④B．①③④⑤

C．①②④⑤D．②③④⑤

答案　C

解析　培育抗病毒烟草是转基因技术的应用。

4．下列生物技术的应用实例中，运用的原理与其他各项不同的是（　　）

A．利用生物反应器悬浮培养人参细胞，提取人参皂甙

B．利用花药离体培养获取植物单倍体植株

C．将转入贮存蛋白基因的向日葵细胞培育成植株

D．通过植物组织培养获得人工种子并发育成植株

答案　A

解析　利用生物反应器提取人参皂甙，其原理是植物细胞培养，单倍体育种、转基因育种和人工种子利用的原理是植物细胞的全能性，则A项利用的原理与其他选项不同。

5．人工种子是人们模仿天然种子的结构制造出来的生命有机体，它能像种子一样萌发生长，长成植物。

人工种子的核心部位是个被外层物包埋的具有类似于胚功能的胚状体。

将胚状体包埋在一个能提供营养的胶质中，便成了所谓的“人工种子”。

根据材料分析回答下列问题：

（1）人工种子依据的原理是________________________，培育胚状体利用了________________技术。

（2）包埋胚状体的胶质可看作自然种子的哪部分结构？

________________________________________________________________________。

（3）如果外植体是植物的茎尖，通过①过程的处理可使细胞彼此分离，①过程中可加入（　　）

A．蛋白酶B．淀粉酶

C．纤维素酶和果胶酶D．胰蛋白酶

（4）②过程表示脱分化过程，其实质是________________________；③表示再分化过程，其实质是________________________。

（5）由人工种子萌发成的植株是否可育？

________________________________________________________________________。

答案　

（1）植物细胞的全能性　植物组织培养　

（2）种皮及提供营养的胚乳或子叶　（3）C　（4）使细胞恢复分裂能力　基因的选择性表达　（5）不一定

解析　

（1）人工种子能发育成完整的植株，说明其细胞内含有个体发育所需要的全套遗传物质，因此依据的原理是细胞的全能性，人工种子是经过植物组织培养技术得到的。

（2）包裹胚状体的胶质有保护胚状体的作用，同时又可以为胚状体提供营养物质，所以可看作种皮及胚乳或子叶。

（3）使植物细胞彼此分离可以使用纤维素酶和果胶酶，因为植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶。

（4）脱分化的实质是使细胞恢复分裂能力，而再分化的实质是基因的选择性表达。

（5）人工种子是否可育取决于培育胚状体所用的材料。

[对点训练]

题组一　植物繁殖的新途径

1．下列属于植物的微型繁殖技术的是（　　）

A．兰花的茎尖组织培育成兰花幼苗

B．水稻种子萌发并长成新个体

C．扦插的葡萄枝长成新个体

D．柳树芽发育成枝条

答案　A

解析　水稻种子萌发并长成新个体、柳树芽发育成枝条均属于个体发育部分；扦插的葡萄枝长成新个体属于无性生殖中的营养生殖。

2．胚状体是在植物组织培养的哪一阶段上获得的（　　）

A．愈伤组织的形成中B．再分化

C．形成完整植株D．脱分化

答案　B

解析　植物体的根、茎、叶细胞一般都具有全能性，在一定的营养和激素条件下，可以脱分化形成愈伤组织。

将愈伤组织转接到含有不同激素成分的培养基上，就可以诱导其再分化生成胚状体或丛芽，所以胚状体是在植物组织培养的再分化阶段形成的。

3．人工种子比天然种子有许多优越性，下列对其优越性的叙述不正确的是（　　）

A．可使自然状态下不结实的植物得以繁殖

B．方便储藏和运输

C．可随意改变植物的遗传性状

D．可快速、大量繁殖

答案　C

解析　人工种子是通过细胞工程完成的，所以可使在自然条件下不结实或结实困难的植物得以繁殖；天然种子的大量储藏和运输也是相当困难的，人工种子则克服了这些缺点，人工种子外层是起保护作用的薄膜，类似天然种子的种皮，因此，可以很方便地储藏和运输；人工种子是经组织培养获得的，与提供组织细胞的亲代的遗传特性相同；人工种子的生产则不受季节限制，可快速、大量繁殖。

4．下列哪一项不是植物繁殖的新途径（　　）

A．微型繁殖B．细胞核移植

C．人工种子D．作物脱毒

答案　B

解析　植物组织培养是指利用特定的培养基将离体的植物细胞、组织或器官培养成完整植株的过程。

花药的离体培养、基因工程中的受体细胞的培养、植物体细胞杂交后杂种细胞的培养以及植物的大量快速繁殖都要用到植物组织培养技术，植物繁殖的新途径包括微型繁殖、作物脱毒、人工种子，而细胞核移植不是植物繁殖的新途径。

题组二　作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产

5．下列哪一项不是单倍体育种的优点（　　）

A．缩短育种年限B．得到稳定遗传的优良品种

C．突变率高D．节约人力、物力

答案　C

解析　由于单倍体育种通过染色体加倍后当年就可获得纯合的、能稳定遗传的正常植株，所以缩短了育种年限，节约了人力和物力。

6．用纯种的高秆（D）抗锈病（T）小麦与矮秆（d）易染锈病（t）小麦培育矮秆抗锈病小麦新品种的方法如下：

下列有关此种育种方法的叙述，正确的是（　　）

A．这种育种方法叫杂交育种

B．过程④必须使用生长素处理

C．这种方法的最大优点是缩短育种年限

D．③过程必须经过受精作用

答案　C

解析　该育种方法为单倍体育种，可大大缩短育种年限，①是杂交，②是减数分裂；③是花药离体培养，④是用秋水仙素处理使单倍体的染色体数目加倍。

③过程利用了植物组织培养技术，不需要受精，而是由雄配子直接发育成幼苗。

7．下图为利用体细胞诱变育种技术获得抗除草剂白三叶草新品种的过程。

下列叙述不正确的是（　　）

A．该育种过程依据的原理有基因突变和植物细胞具有全能性

B．过程①②培养基中，不同植物生长调节剂的浓度比例不同

C．白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中DNA和RNA种类相同

D．过程③通常采用的筛选方法是向白三叶草幼苗喷洒除草剂

答案　C

解析　白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中DNA种类相同，因为基因的选择性表达，RNA和蛋白质的种类是有差异的。

8．下列关于细胞产物的工厂化生产的叙述中，错误的是（　　）

A．细胞产物的工厂化生产是植物细胞工程的重要用途之一

B．培养过程中需要脱分化形成愈伤组织，然后悬浮培养愈伤组织细胞

C．培养的愈伤组织需要经过再分化产生特定的组织细胞后才能产生特定的细胞产物

D．培养的细胞收集后一般要破碎提取有效成分

答案　C

解析　在细胞产物的工厂化生产过程中只需要悬浮培养愈伤组织细胞，利用愈伤组织细胞的分裂和代谢产生所需要的产物即可，不需要再分化。

[综合强化]

9．辣椒素作为一种生物碱广泛用于食品保健、医药工业等领域，其获得途径如图所示。

下列叙述错误的是（　　）

A．图中愈伤组织、脱毒苗和高产细胞系的获得都体现了植物细胞的全能性

B．图中①和②分别表示辣椒组织培养中细胞的脱分化和再分化过程

C．②过程中需要用适宜配比的生长素和细胞分裂素溶液处理

D．用酶解法将愈伤组织分离成单细胞时，常用的酶是纤维素酶和果胶酶

答案　A

解析　细胞的全能性是指已经分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能，图中脱毒苗的获得体现了植物细胞的全能性，愈伤组织和高产细胞系的获得都没有体现植物细胞的全能性，A错误；图中①和②分别表示辣椒组织培养中细胞的脱分化和再分化过程，B正确；再分化过程中需要用适宜配比的生长素和细胞分裂素溶液处理，以诱导细胞分化的方向，C正确；用酶解法将愈伤组织分离成单细胞时，常用的酶是纤维素酶和果胶酶，以分解植物细胞之间的成分，D正确。

10．下图表示利用高秆抗锈病玉米（基因型为AaBb，两对基因独立遗传）的花粉细胞生产人工种子的过程。

下列叙述不正确的是（　　）

A．通过①过程两两融合得到的细胞基因型有9种

B．②③过程培养基中植物激素的配比不同

C．过程④需用秋水仙素处理才能获得可育的人工种子

D．人工种子的种皮中加入植物生长调节剂可促进丛芽的发育

答案　C

解析　根据自由组合定律，亲代产生4种基因型的花粉（AB、Ab、aB、ab），2粒花粉细胞融合（类似于AaBb个体自交）可产生9种基因型的融合细胞；图中②③分别代表植物组织培养的脱分化和再分化阶段，这两个阶段目的不同，培养基中生长素、细胞分裂素的含量和比例不同；融合细胞中染色体组与正常植株相同，过程④直接培育的人工种子是可育的；人工种子的种皮中加入植物生长调节剂可促进丛芽的发育。

11．培育农作物新品种的过程中，常利用植物组织培养技术。

下列叙述正确的是（　　）

A．培育转基因的外植体得到的新个体属于基因突变个体

B．在植物组织培养过程中用理化因素诱导可获得大量有益突变体

C．单倍体育种中经减数分裂和组织培养两个过程能获得纯合二倍体

D．在培养基中加入不同浓度的氯化钠溶液，可筛选出抗盐植株

答案　D

解析　培育转基因的外植体得到的新个体属于转基因植物；基因突变是不定向的，在植物组织培养过程中用理化因素诱导不一定获得大量有益突变体；单倍体育种中经组织培养和秋水仙素处理这两个过程才能获得纯合二倍体。

12．下列有关植物细胞工程应用的叙述，不正确的是（　　）

A．利用组织培养技术培育脱毒苗，获得具有抗病毒的新品种

B．利用组织培养技术获得人工种子，能保持亲本的优良性状

C．利用细胞培养技术获得紫草素，实现了细胞产物的工厂化生产

D．利用植物体细胞杂交技术获得“白菜—甘蓝”，克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍

答案　A

解析　脱毒苗是用含病毒极少、甚至无病毒的茎尖等植物分生组织培养而成的，再生的植株可能不带病毒，但并非它具备了抗病毒的能力。

13．下图所示为植株繁殖的四种人工方式示意图，请据图回答下列问题：

（1）图中单倍体植株通常的获取方式是______________。

若图中单倍体细胞含有2个染色体组，A有4个染色体组，则③过程所用化学试剂的作用是___________。

（2）图中B和C过程的不同点是____________________________________，这种不同的主要决定因素是____________________________。

（3）若想在C过程中获得突变体，进而培育成新品种植株，应用物理诱变或化学诱变的方法处理____________。

（4）若要获得水稻的“人工种子”，则应选用图中的________结构，该结构与正常受精卵形成的________有类似的结构和发育过程。

（5）若D过程获得的是胡萝卜—羊角芹，②过程常用的物理方法有_____________等；经融合处理后，已经融合的细胞类型有________种（若融合的细胞只考虑两两融合）。

答案　

（1）花药离体培养　抑制细胞有丝分裂过程中纺锤体的形成　

（2）B过程中形成的是胚状体，而C过程中形成的是丛芽　细胞分裂素与生长素的比值　（3）愈伤组织　（4）胚状体　胚　（5）离心、振动、电激　3

解析　

（1）图中A过程表示单倍体育种，获取单倍体时常用花药离体培养的方法。

若要使单倍体的染色体数目加倍，变成A植株，则需要在③过程中用秋水仙素处理幼苗，以抑制细胞有丝分裂过程中纺锤体的形成。

（2）图中B和C过程都是体细胞的组织培养，其不同点是B过程中形成的是胚状体，而C过程中形成的是丛芽，这种不同的主要决定因素是细胞分裂素与生长素的比值。

（3）在组织培养过程中获得突变体，一般用物理诱变或化学诱变的方法处理愈伤组织，再由愈伤组织经再分化形成突变植株。

（4）若要获得水稻的“人工种子”，则应选用图中的胚状体结构，该结构与正常受精卵形成的胚有类似的结构和发育过程。

（5）D为植物体细胞杂交获得杂种植株的过程，②过程常用的物理方法有离心、振动、电激等；经融合处理后，已经融合的细胞类型有3种（只考虑细胞的两两融合）：

胡萝卜—胡萝卜融合细胞、羊角芹—羊角芹融合细胞和胡萝卜—羊角芹融合细胞。

14．（2014·江苏，29节选）为了获得植物次生代谢产物，先用植物外植体获得愈伤组织，然后在液体培养基中悬浮培养。

请回答下列问题：

（1）外植体经诱导后形成愈伤组织的过程称为________。

（2）在愈伤组织悬浮培养时，细胞干重、蔗糖浓度和pH的变化如下图所示。

细胞干重在12d后下降的原因有__________________________；培养液中蔗糖的作用是________________、________________。

（3）多倍体愈伤组织细胞产生的次生代谢产物量常高于二倍体。

二倍体愈伤组织细胞经________________处理，会产生染色体加倍的细胞。

为检测愈伤组织细胞染色体数目，压片前常用纤维素酶和________酶解离愈伤组织。

若愈伤组织细胞（2n）经诱导处理后，观察到染色体数为8n的细胞，合理的解释是__________________、________________________。

答案　

（1）脱分化　

（2）蔗糖浓度下降，pH降低　提供能源　调节渗透压　（3）秋水仙素（低温）　果胶　经加倍到4n的细胞处于有丝分裂后期　经加倍到8n的细胞处于有丝分裂中期

解析　

（1）外植体经诱导形成愈伤组织的过程称为脱分化。

（2）观察图示可知，12d后蔗糖浓度和pH都下降到较低水平，影响能量的供应和酶的活性，导致细胞干重下降。

除提供能量外，培养液中的蔗糖还具有调节渗透压的作用。

（3）在细胞分裂过程中，用低温或秋水仙素处理，都可抑制纺锤体的形成，使子染色体不能移向两极，从而使细胞中染色体数目加倍。

愈伤组织的细胞之间含有纤维素和果胶，欲将其分散成单个细胞，压片前需用纤维素酶和果胶酶处理。

愈伤组织细胞经诱导处理后，有的细胞染色体数目加倍（4n），有的细胞染色体数目未加倍（2n），也可能有的细胞在连续分裂中每次都因低温或秋水仙素抑制了纺锤体的形成，导致细胞中染色体数目连续加倍，出现染色体数目为8n的细胞。

所以染色体数目加倍到4n的细胞处于有丝分裂后期时染色体数目为8n，染色体数目加倍到8n的细胞处于有丝分裂中期时染色体数目也为8n。

15．红豆杉是濒危植物，其树皮产生的紫杉醇对癌症有一定的疗效。

下图是红豆杉植株组织培养和细胞培养的流程图，请据图回答下列问题：

（1）图中②为愈伤组织，通过B过程可最终产生新的植株，通过C过程可产生大量细胞，则图中A、B、C分别表示的过程为______________________________。

其中B过程的实质是______________________。

（2）对⑤的培养一般要采用________培养基，并要不断通入无菌空气并进行搅拌，其目的是______________________________________________。

（3）对⑤的培养可获得代谢产物——紫杉醇，但培养后期紫杉醇产量下降，其原因包括______________________________________等。

（4）若①是红豆杉（基因型为DdTt）的花药，可选用__________（填编号）制成人工种子，该“种子”萌发的幼苗用________处理，可快速获得纯种植株，该植株的基因型为____________________________。

答案　

（1）脱分化、再分化、有丝分裂　基因的选择性表达　

（2）