高二生物山东专版选修13讲义311 植物细胞工程的基本技术 Word版含答案.docx

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高二生物山东专版选修13讲义311植物细胞工程的基本技术Word版含答案

3．1

植物细胞工程

3．1.1　植物细胞工程的基本技术

1.植物组织培养技术的理论基础是植物细胞的全能性。

2．植物组织培养的基本过程：

外植体

愈伤组织

丛芽或胚状体

完整植株

3．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。

4．去除细胞壁制备原生质体用到的酶是纤维素酶和果胶酶。

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

6．植物体细胞杂交技术克服了不同生物远缘杂交不亲和的障碍。

一、细胞工程的概念

二、植物组织培养技术

1．理论基础

植物细胞的全能性。

2．基本过程

图中①过程为脱分化，②过程为再分化，A表示愈伤组织，B表示丛芽或胚状体。

3．影响因素

（1）植物材料：

①不同的植物组织，培养的难易程度差别很大。

②同一种植物材料，材料的年龄、保存时间的长短等也会影响实验结果。

菊花的组织培养一般选择未开花植株的茎上部新萌生的侧枝。

（2）营养物质：

①大量元素，如N、P、K、Ca、Mg、S。

②微量元素，如B、Mn、Cu、Zn、Fe、Mo、I、Co。

③有机物，如甘氨酸、烟酸、肌醇、维生素，以及蔗糖等。

（3）植物激素：

生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素，二者的浓度、使用的顺序及用量的比例等都会影响实验结果。

（4）环境条件：

如pH、温度、光照等，进行菊花的组织培养一般将pH控制在5.8左右，温度控制在18～22℃，并且每日用日光灯照射

h。

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[据图填空]

（1）过程①为去除细胞壁获得原生质体，用到的酶是纤维素酶和果胶酶。

（2）过程②为原生质体的融合，人工诱导的物理法包括离心、振动、电激等，化学法一般用聚乙二醇作诱导剂。

（3）过程③为融合的原生质体再生出细胞壁，这是原生质体融合成功的标志。

（4）过程④为脱分化，过程⑤为再分化。

3．意义：

克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍。

1．下列生物技术不属于细胞工程领域的是（　　）

A．植物组织培养技术　　B．转基因技术

C．克隆技术D．植物体细胞杂交技术

[解析]选B　细胞工程是在细胞水平或细胞器水平上进行的操作。

转基因技术的操作对象为基因，即DNA分子水平上的操作技术，属于基因工程。

2．植物组织培养的理论根据是（　　）

A．培养基中营养物质全面B．细胞的全能性

C．细胞的分裂D．细胞的分化

[解析]选B　植物细胞只有保持其全能性，才能发育成完整的植株，因此，植物组织培养的理论根据是细胞的全能性。

3．影响植物组织培养的因素包括（　　）

①培养基的营养组成　②外植体的选取　③植物激素的使用　④消毒　⑤温度、pH、光照

A．①②③④⑤　　　　　　B．①②③

C．①②③④D．①②③⑤

[解析]选A　培养基的营养组成、外植体的种类和生长发育状况、植物激素的浓度和使用顺序以及温度、光照、pH都是影响植物组织培养的因素，并且植物组织培养在离体、无菌条件下才能完成。

4．植物组织培养过程中的脱分化是指（　　）

A．植物体的分生组织通过细胞分裂产生新细胞的过程

B．未成熟的种子经过长期培养，长出幼苗的过程

C．植物的器官、组织或细胞，通过离体培养产生愈伤组织的过程

D．取植物的枝芽培育成一株新个体的过程

[解析]选C　植物细胞的脱分化就是让已分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能，而转变为未分化的细胞——愈伤组织的过程。

5．植物体细胞杂交的结果是（　　）

A．产生杂种植株B．产生杂种细胞

C．原生质体融合D．形成愈伤组织

[解析]选A　植物体细胞杂交包括经植物细胞融合获得杂种细胞和经植物组织培养形成杂种植株两个阶段，其结果是产生了具有两种植物遗传特性的杂种植株。

1.细胞的全能性：

指已经分化的细胞，仍然具有发育成完整个体的潜能。

2．细胞具有全能性的原因

生物体的每一个体细胞都是由受精卵经有丝分裂而来的，含有本物种的全套遗传物质，都有发育成完整个体所必需的全套基因。

3．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．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：

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。

[题组冲关]

1．下列植物组织细胞，在条件适宜的情况下，最易表达其全能性的是（　　）

A．茎韧皮部细胞　　　　B．叶肉细胞

C．受精卵D．根尖分生区细胞

[解析]选C　细胞的全能性由大到小依次是受精卵、生殖细胞、体细胞。

2．下列发生了细胞分化且能体现体细胞全能性的生物学过程是（　　）

A．玉米种子萌发长成新植株

B．小鼠骨髓造血干细胞形成各种血细胞

C．小麦花粉经离体培养发育成单倍体植株

D．胡萝卜根韧皮部细胞经组织培养发育成新植株

[解析]选D　种子萌发长成植株是由幼体到成体的正常生长发育过程，虽有细胞分化，但不能体现细胞的全能性；骨髓造血干细胞形成各种血细胞，仅仅是细胞分化的过程，没有形成完整的个体，不能体现细胞的全能性；花粉离体培养发育成单倍体植株，经历了细胞分化，体现了花粉（生殖细胞）的全能性，没有体现体细胞的全能性；胡萝卜根韧皮部细胞经植物组织培养发育成新植株体现出体细胞的全能性。

1．植物组织培养的基本过程

（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．植物激素在植物组织培养中的作用

（1）使用顺序不同，结果不同：

使用顺序

实验结果

先使用生长素，后使用细胞分裂素

有利于细胞分裂，但细胞不分化

先使用细胞分裂素，后使用生长素

细胞既分裂又分化

同时使用

分化频率提高

以上关系可简记为：

先“生”，分裂不分化；后“生”分裂又分化；同“使”分化频率高

（2）用量的比例不同，结果也不同：

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

以上关系可简记为：

“高根低芽中愈伤”

3.菊花组织培养的实验操作流程

（1）制备MS固体培养基：

配制各种母液―→配制培养基―→灭菌。

（2）外植体消毒：

取菊花嫩枝―→流水冲洗―→加洗衣粉刷洗―→流水冲洗20min并吸干，体积分数为70%的酒精消毒6～7s―→无菌水清洗

质量分数为0.1%的氯化汞溶液消毒1～2min―→无菌水清洗（至少3次）。

（3）接种：

菊花茎段插入培养基时注意方向，不要倒插。

每瓶接种6～8块外植体。

（4）培养：

最好放在无菌箱中培养，并定期消毒。

培养温度控制在18～22℃，并且每日用日光灯照射12h。

（5）移栽：

移栽前应先打开培养瓶的封口膜，让试管苗在培养间生长几日。

然后用流水清洗根部的培养基，将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境下生活一段时间，等幼苗长壮后再移栽到土壤中。

（6）栽培：

将幼苗移栽后，每天观察并记录幼苗的生长情况，适时浇水、施肥，直至开花。

[名师点拨]　植物组织培养技术的注意事项

（1）外植体的选择与制备：

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制备外植体首先要消毒，其次要选取有形成层的部位，因为形成层细胞易脱分化。

（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，以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，以利于叶片内叶绿素的合成。

（4）植物激素的使用：

生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素。

两类激素的浓度、使用的先后顺序及用量的比例等都会影响实验结果。

[题组冲关]

3．下列关于植物组织培养中植物激素使用的说法，错误的是（　　）

A．植物组织培养中的关键激素是生长素和细胞分裂素

B．先使用生长素，后使用细胞分裂素，有利于细胞分裂和分化

C．先使用细胞分裂素，后使用生长素，细胞既分裂也分化

D．同时使用生长素和细胞分裂素时，两者用量的比例影响植物细胞的分化方向

[解析]选B　在植物组织培养中，先使用生长素，后使用细胞分裂素，有利于细胞分裂，但细胞不分化；先使用细胞分裂素，后使用生长素，细胞既分裂也分化。

4．甲、乙两名同学分别以某种植物的绿色叶片和白色花瓣为材料，利用植物组织培养技术繁殖该植物。

回答下列问题：

（1）以该植物的绿色叶片和白色花瓣作为外植体，在一定条件下进行组织培养，均能获得试管苗，其原理是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）甲、乙同学在诱导愈伤组织所用的培养基中，均加入一定量的蔗糖，蔗糖水解后可得到________________________________________________________________________。

若要用细胞作为材料进行培养获得幼苗，该细胞应具备的条件是________________（填“具有完整的细胞核”“具有叶绿体”或“已转入抗性基因”）。

（3）图中A、B、C所示的是不同的培养结果，该不同结果的出现主要是由于培养基中两种激素用量的不同造成的，这两种激素是________________。

A中的愈伤组织是叶肉细胞经________形成的。

（4）若该种植物是一种杂合体的名贵花卉，要快速获得与原植株基因型和表现型都相同的该种花卉，可用组织培养方法繁殖，在培养时，________（填“能”或“不能”）采用经减数分裂得到的花粉粒作为外植体，原因是____________________________________

________________________________________________________________________。

[解析]

（1）植物组织培养的原理是植物细胞具有全能性。

（2）蔗糖水解后可得到葡萄糖、果糖。

用细胞作为材料进行培养获得幼苗，细胞必须具有完整的细胞核，才具有发育为个体的一整套完整遗传信息。

（3）影响植物组织培养的两种主要激素是细胞分裂素和生长素。

愈伤组织是叶肉细胞经脱分化形成的。

（4）由于花粉粒的基因型与体细胞的基因型不同，组织培养得到的花卉基因型不同于原植株，导致不能保留亲本性状。

[答案]

（1）绿色叶片和白色花瓣的细胞具有全能性，在一定条件下能发育成完整的植株　

（2）葡萄糖、果糖　具有完整的细胞核　（3）细胞分裂素、生长素　脱分化　

（4）不能　对杂合体的植株来说，其体细胞的基因型相同，而花粉粒的基因型与体细胞的基因型不同。

用花粉粒进行组织培养得到的花卉基因型不同于原植株

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．植物组织培养和植物体细胞杂交的比较

名称

植物组织培养

植物体细胞杂交

原理

植物细胞的全能性

细胞膜具有一定的流动性和植物细胞的全能性

过程

融合的原生质体AB

选材

选取根尖、茎尖、形成层部位最容易诱导脱分化

不同植物细胞融合后形成的杂种细胞

技术

操作

脱分化、再分化等

除脱分化、再分化外，还要用酶解法去除细胞壁，用一定的方法诱导细胞融合

关系

植物组织培养是植物体细胞杂交的基础，植物体细胞杂交所用的技术更复杂

3．植物体细胞杂交过程中杂种细胞类型及检测方法

（1）诱导产物（假设用于杂交的两种植物细胞分别为A、B）

①未融合的细胞：

A和B。

②两两融合的细胞：

AA、BB和AB。

③多细胞融合体。

（2）检测方法：

对诱导产物中的细胞进行植物组织培养，然后根据得到的植物性状进行判断。

植物性状

结论

若只表现出一种植物的性状

未融合细胞

若得到的是具有两种亲本性状的植物

杂种植株

若得到的是两种亲本性状的植物，且一种植物的性状得到加强

多细胞融合体

若得到的是一种植物的性状，但是效果得到加强

同种细胞融合

[名师点拨]　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。

[题组冲关]

5．下面为“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细胞需要胰蛋白酶和果胶酶

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细胞的原理是细胞膜具有流动性

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

解析：

选C　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具有一定的流动性，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。

6．如图是植物体细胞杂交过程示意图，如果A、B植物均为二倍体，据图分析回答：

（1）图中所示过程的原理有：

__________________________________________。

（2）图中的①过程是_____________________________________________________。

（3）植物体细胞融合成功的标志是________________________________________，

其产生与细胞内__________（细胞器）有关。

（4）③和④过程分别是__________和__________的过程。

则该杂种植株有______个染色体组。

（5）该技术的最显著优势是：

___________________________________________。

解析：

（1）植物体细胞杂交过程中有原生质体A和原生质体B的融合过程，其原理是细胞膜具有流动性；将杂种细胞培育成新的个体，其原理是植物细胞具有全能性。

（2）图中的①过程是去除植物细胞壁，制备原生质体。

（3）植物体细胞融合成功的标志是形成新的细胞壁，植物细胞壁的形成与高尔基体有关。

（4）杂种细胞通过脱分化形成愈伤组织，再经再分化形成杂种植株。

图中杂种植株是由两个二倍体的细胞融合成的杂种细胞培育成的新个体，含有四个染色体组。

（5）植物体细胞杂交可以克服远缘杂交不亲和的障碍。

答案：

（1）细胞膜具有流动性、植物细胞具有全能性（缺一不可）　

（2）（去壁）制备原生质体　（3）形成新的细胞壁　高尔基体　（4）脱分化　再分化　四　（5）克服远缘杂交不亲和的障碍

[方法规律]

　　体细胞杂交后细胞内染色体数目、染色体组数目及基因型的判断

体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管染色体、基因型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。

[随堂基础巩固]　　

1．植物细胞表现全能性的必要条件是（　　）

A．给予适宜的营养和外界条件

B．导入其他植物细胞的基因

C．脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件

D．将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内

解析：

选C　高度分化的植物细胞处于离体状态时，在一定的营养物质和外界条件下才能表现全能性。

2．下列有关愈伤组织细胞的叙述，不正确的是（　　）

A．细胞壁薄、分裂旺盛

B．细胞具有较高的全能性

C．由高度分化的植物细胞经脱分化和分裂形成

D．细胞有叶绿体，能进行光合作用

解析：

选D　愈伤组织的细胞排列疏松而无规则，是一种高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞；愈伤组织是由离体的植物组织经脱分化和分裂形成的，细胞具有较高的全能性；在无光条件下培养产生的愈伤组织无叶绿体。

3．关于影响植物组织培养的因素，下列说法正确的是（　　）

A．不同植物组织培养的难易程度不同，同一种植物材料培养的难易程度相同

B．在植物组织培养中，培养基中必须添加植物激素

C．提高生长素的比例，有利于促进生根

D．外植体形成愈伤组织的过程需要光照

解析：

选C　不同植物组织培养的难易程度不同，同一种植物材料也会因年龄、取材部位、保存时间的长短等导致实验难易程度不同；在植物组织培养中，培养基中常常要添加植物激素，但不是都必须添加植物激素；提高生长素的比例，有利于生根；经脱分化形成愈伤组织的过程不需要光照，试管苗形成后才需要照光培养。

4．如图表示利用棉花叶肉细胞原生质体培养进行遗传改良的过程，据图分析错误的是（　　）

A．①过程需在适宜条件下用纤维素酶和果胶酶的混合物处理

B．②过程能定向诱导原生质体产生优良性状的突变

C．③过程中叶肉细胞失去了其特有的结构和功能

D．④过程需用适宜配比的生长素和细胞分裂素处理

解析：

选B　紫外线照射可诱导原生质体发生突变，但突变是不定向的。

5．驱蚊草散发的气味可在一定范围内驱除蚊子，驱蚊草是由天竺葵体细胞和香茅草体细胞杂交而得到的。

下列关于驱蚊草培育的叙述，错误的是（　　）

A．培育方法属于细胞工程育种，其优点是能克服远缘杂交不亲和的障碍

B．培育过程中要用纤维素酶、果胶酶、PEC等试剂或离心、振动、电激等方法

C．培育手段是植物体细胞杂交，它不同于植物组织培养，无愈伤组织和试管苗的形成

D．驱蚊草不能通过天竺葵和香茅草的有性杂交而获得是因为不同物种间存在生殖隔离

解析：

选C　驱蚊草是通过天竺葵体细胞和香茅草体细胞杂交而得到的，在此技术中仍需要利用植物组织培养技术，有愈伤组织和试管苗的形成过程。

6．科学家利用植物体细胞杂交技术成功获得了番茄－马铃薯杂种植株，为了便于杂种细胞的筛选和鉴定，科学家利用红色荧光和绿色荧光分别标记番茄和马铃薯的原生质体膜上的蛋白质，其培育过程如图所示：

（1）植物体细胞杂交依据的生物学原理有_______________________________

________________________________________________________________________。

（2）过程①常用的酶是________________，细胞融合完成的标志是_________________。

（3）植物原生质体融合过程常利用化学试剂________________诱导融合，在鉴定杂种原生质体时可用显微镜观察，根据细胞膜表面荧光的不同可观察到________种不同的原生质体，当观察到____________________________________时可判断该原生质体是由番茄和马铃薯融合而成的。

（4）过程③和过程④依次为________________，过程④中的培养基常添加的植物激素是________________。

（5）若番茄细胞中有m条染色体，马铃薯细胞中有n条染色体，则“番茄－马铃薯”细胞在有丝分裂后期含______条染色体。

解析：

（1）植物体细胞杂交依据的生物学原理有细胞膜的流动性、植物细胞的全能性。

（2）过程①获取原生质体常用的酶是纤维素酶和果胶酶，植物原生质体融合完成的标志是形成了新的细胞壁。

（3）植物原生质体融合过程常利用化学试剂聚乙二醇（或PEG）诱导融合；在鉴定杂种原生质体时可用显微镜观察，根据细胞膜表面荧光的不同可观察到5种不同的原生质体；当观察到融合的细胞表面既有红色荧光又有绿色荧光时，可判断该原生质体是由番茄和马铃薯融合而成的。

（4）过程③和过程④依次为脱分化和再分化，④再分化过程中的培养基常添加的植物激素是生长素和细胞分裂素。

（5）若番茄细胞中有m条染色体，马铃薯细胞中有n条染色体，则“番茄－马铃薯”杂种细胞的染色体有m＋n条，在有丝分裂后期由于着丝点分裂导致染色体数加倍，此时细胞内含2（m＋n）条染色体。

答案：

（1）细胞膜的流动性、植物细胞的全能性　

（2）纤维素酶和果胶酶　形成了新的细胞壁　（3）聚乙二醇（或PEG）　5　融合的细胞表面既有红色荧光又有绿色荧光（4）脱分化和再分化　生长素和细胞分裂素　（5）2（m＋n）