学年高中生物 专题2 细胞工程 21 植物细胞工程 211 植物细胞工程的基.docx

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学年高中生物专题2细胞工程21植物细胞工程211植物细胞工程的基

2．1.1　植物细胞工程的基本技术

[学习目标]　1.简述植物组织培养技术的原理和过程。

2.描述植物体细胞杂交技术的原理和过程。

方式一　“君子”兰的快速繁殖

“春风欲擅秋风巧，催出幽兰继落梅”，素有“天下第一香”之称的兰花，以其优美高雅的叶片和芳香艳丽的花朵，成为自古以来文人墨客吟诗作赋的对象。

但是，兰花在自然条件下播种繁殖的难度很大，需要较长时间才能获得少量幼苗。

如何才能满足人们对兰花的需求呢？

科学家在细胞全能性的理论基础上发现了兰花快速繁殖的技术——植物组织培养。

植物组织培养是植物细胞工程的核心技术，植物细胞工程的基本技术还有哪些？

这些基本技术的一般操作程序是怎样的？

让我们通过本节来学习探讨吧！

方式二　山东省金乡县是全国闻名的大蒜之乡。

该县农科所与中国农科院联合成功开发和培育出的品质好、产量高的新品种——脱毒大蒜，是植物细胞工程的又一成果。

什么是细胞工程？

细胞工程是如何发展起来的？

包括哪些基本技术？

在哪些方面得到了应用？

一、细胞工程和细胞的全能性

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）植物细胞表现全能性的条件

①离体状态。

②营养物质：

种类齐全、比例合适。

③植物激素：

主要是生长素、细胞分裂素。

④外界条件：

适宜的温度、pH和光照等。

⑤无菌操作。

归纳总结

1．明辨细胞全能性的几个易错点

（1）细胞的全能性指的是细胞的一种潜在能力，这种潜在能力只有在特定的环境中才能表现出来，而不是指细胞在任何条件下都能发育成完整的生物体。

（2）植物细胞的全能性较容易表现出来，高度分化的动物细胞的细胞核也具有全能性，但动物细胞的全能性目前仍难以得到验证。

（3）细胞具有全能性是因为细胞中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，因此仍然具有全能性。

（4）细胞表达全能性的标志是发育成完整个体而不是形成某种组织或者器官。

（5）植物的种子发育成完整植株，不能体现细胞的全能性。

因为种子中的胚已完成了早期发育，相当于新植物的幼体，而没有体现出细胞具有发育成完整植物体的潜能。

2．细胞全能性大小的分析

（1）体细胞全能性与细胞分化程度：

分化程度低的＞分化程度高的。

（2）体细胞全能性与细胞分裂能力：

分裂能力强的＞分裂能力弱的。

（3）不同类型细胞的全能性：

受精卵＞生殖细胞＞体细胞。

（4）不同生物细胞的全能性：

植物细胞＞动物细胞。

例1

　植物细胞的全能性是指（　　）

A．具有核、膜、质，细胞结构完整，能进行各种生理活动

B．只具有膜和质，同样能进行各种生理活动

C．植物体细胞所具有的发育成完整个体的潜能

D．具有本物种全套遗传物质的特定细胞

答案　C

解析　具有某种植物全套遗传信息的任何一个细胞，都有发育成完整新植物体的潜能，也就是说，每个植物活细胞都具有全能性。

例2

　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

答案　B

解析　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；种子是植物的器官，由种子发育成植株，是正常生命历程，不属于全能性；细胞全能性的表达前提是离体培养的细胞、组织或器官。

二、植物组织培养技术

1．植物组织培养的概念分析

（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、适宜的培养条件。

（4）结果：

脱分化形成愈伤组织，再诱导其再分化生成胚状体或丛芽，最终形成完整的植株。

2．胡萝卜的组织培养过程

—

↓

—

↓

—

↓

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归纳总结

1．植物组织培养的一般过程

（1）外植体：

用于植物组织培养的离体的植物器官、组织或细胞。

（2）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。

（3）愈伤组织：

细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、呈无定形状态的薄壁细胞团。

（4）再分化：

脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，又可以重新分化出根或芽等器官的过程。

2．植物组织培养技术的注意事项

（1）外植体的选择：

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不同。

一般来说，植物的花和幼嫩的组织脱分化相对比较容易，而植物的茎、叶和成熟的组织较难。

（2）无菌操作：

植物组织培养成功的关键是避免微生物的污染，所有实验用具要严格灭菌，接种过程要进行严格的无菌操作。

（3）光照的控制：

对于植物组织培养来说，光照条件非常重要。

在愈伤组织的诱导阶段往往要避光培养，有利于细胞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）。

当愈伤组织分化出芽和叶时，一定要有光照，有利于叶片内叶绿素的合成。

（4）生长素和细胞分裂素的用量

生长素/细胞分裂素的比值

作用效果

比值高时

促进根的分化、抑制芽的形成

比值低时

促进芽的分化、抑制根的形成

比值适中

促进愈伤组织的形成

例3

　植物组织培养依据的原理、方法步骤及诱导的植物激素分别是（　　）

①细胞的全能性　②离体的植物器官、组织或细胞③根、芽　④生长素和细胞分裂素　⑤生长素和乙烯⑥愈伤组织　⑦再分化　⑧脱分化　⑨植物体

A．①、②⑦⑥⑧③⑨、④

B．①、②⑧⑥⑦③⑨、④

C．①、⑥②⑨⑧③⑦、⑤

D．①、②⑨⑧⑥⑦③、⑤

答案　B

解析　植物组织培养的原理是细胞的全能性；方法步骤是：

离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织，愈伤组织再分化得到根、芽，由根、芽发育成植物体；所用激素是生长素和细胞分裂素。

例4

　（2017·山西榆社中学高二下期中）如图表示四倍体兰花叶片植物组织培养的过程，下列相关叙述正确的是（　　）

A．此兰花的花药离体培养所得植株为二倍体

B．①阶段体现了细胞的全能性，②阶段需要细胞分裂素

C．①阶段有细胞增殖，但无细胞分化

D．②过程为脱分化，③过程为再分化

答案　C

解析　花药离体培养得到的个体一定是单倍体植株，A错误；①阶段是脱分化阶段，②阶段是再分化阶段，③阶段是细胞分裂分化过程，①②③体现了细胞的全能性，B、D错误；①阶段是脱分化阶段，没有细胞的分化，只进行细胞增殖形成薄壁细胞团，C正确。

三、植物体细胞杂交技术

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：

克服了不同生物远缘杂交不亲和的障碍。

归纳总结

1．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植物细胞的全能性。

2．与植物体细胞杂交技术有关的遗传知识

（1）植物体细胞杂交过程中无有性生殖细胞的结合，属于无性生殖。

（2）杂种植株的染色体来源于两种植物，变异类型是染色体数目的变异，形成的是异源多倍体。

（3）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。

（4）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。

例5

　下图为“番茄—马铃薯”的培育过程示意图，有关叙述正确的是（　　）

A．获得a、b细胞需要用胰蛋白酶和果胶酶处理

B．诱导a、b细胞融合的化学试剂一般用秋水仙素

C．a、b细胞融合为c细胞的原理是生物膜具有流动性

D．d、e、f过程表示植物的组织培养过程，e、f分别为脱分化和再分化

答案　C

解析　植物体细胞在杂交之前，必须先利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；a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞膜的流动性；诱导a、b细胞融合的化学试剂一般是聚乙二醇；d、e分别为脱分化和再分化。

例6

　A种植物细胞（基因型为Aa）、B种植物细胞（基因型为Bb）去掉细胞壁后，诱导两种细胞的原生质体融合，形成单核的杂种细胞。

则经过组织培养得到的杂种植株是（　　）

A．二倍体，基因型为AaBb

B．二倍体，基因型为AAaaBBbb

C．四倍体，基因型为AaBb

D．四倍体，基因型为AAaaBBbb

答案　C

解析　杂种植株为四倍体，基因型为AaBb。

拓展提升

　植物体细胞杂交后的植物染色体组数

（1）染色体组数目＝A、B两个细胞内染色体组数之和。

（2）植物体细胞杂交后的植物，有几个染色体组就称为几倍体。

（3）举例：

二倍体白菜和二倍体甘蓝体细胞杂交得到的白菜—甘蓝有四个染色体组，为四倍体。

1．下列哪种细胞的全能性最容易得到表达（　　）

A．青蛙的皮肤细胞B．胡萝卜的韧皮部细胞

C．小白鼠的肝脏细胞D．胡萝卜的形成层细胞

答案　D

解析　细胞分化程度越低，全能性越容易表达，青蛙的皮肤细胞和胡萝卜的韧皮部细胞都是高度分化的细胞，小白鼠的肝脏细胞和胡萝卜的形成层细胞都具有分生能力，但植物细胞的全能性比动物细胞更容易表达，故胡萝卜的形成层细胞的全能性最容易表达。

2．如图为植物组织培养过程，有关说法不正确的是（　　）

A．b试管中细胞全能性最高

B．d试管中培育出的个体都是纯合子

C．a→b的过程不需要光照

D．a→d的细胞分裂方式都是有丝分裂

答案　B

解析　试管中的试管苗来源相同，都是通过植物组织培养发育而成的，植株的基因型相同，但不一定是纯合子。

3．（2017·陕西黄陵中学高二下期中）植物细胞表现出全能性的必要条件和增殖方式是（　　）

A．脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件；减数分裂

B．导入其他植物细胞的基因；有丝分裂

C．将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内；减数分裂

D．脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件；有丝分裂

答案　D

解析　植物细胞表现全能性的条件：

①细胞离体和适宜的外界条件；②一定的营养（无机、有机成分）和植物激素。

植物细胞经组织培养形成植物体的过程，包括脱分化和再分化两个重要的步骤，在这两个过程中细胞都是通过有丝分裂方式进行增殖的，故选D。

4．（2017·河南新野高二期中）植物体细胞杂交尚未解决的问题是（　　）

A．去除细胞壁，分离出有活力的原生质体

B．将杂种细胞培育成植株

C．让杂种植物按照人们的需要表现亲代的优良性状

D．尚未培育出属间杂种植物

答案　C

解析　目前植物体细胞杂交产生的杂种植株并没有完全表现出人们所需要的性状。

5．（2013·新课标Ⅱ，40节选）甲、乙是染色体数目相同的两种二倍体药用植物，甲含有效成分A，乙含有效成分B。

某研究小组拟培育同时含有A和B的新型药用植物。

回答下列问题：

（1）为了培育该新型药用植物，可取甲和乙的叶片，先用________酶和________酶去除细胞壁，获得具有活力的________，再用化学诱导剂诱导二者融合。

形成的融合细胞进一