高中生物001知识讲解细胞工程.docx

1、高中生物001知识讲解细胞工程高考总复习细胞工程（克隆技术）专题编稿：宋辰霞 审稿：闫敏敏 【考纲要求】1阐述植物组织培养的原理和过程。2掌握植物体细胞杂交的原理和过程。3. 掌握动物细胞培养的条件及过程4简述用动物体细胞核移植技术克隆动物的过程。5掌握单克隆抗体的制备过程及单克隆抗体的特点。6. 举例说明动物细胞融合与单克隆抗体的原理和应用。【考点梳理】考点一、植物细胞工程植物组织培养技术1. 概念 植物组织培养指在无菌和人工控制条件下，将植物体离体的器官、组织和细胞培养在人工配制的培养基上，使其形成完整植株或产生细胞代谢产物。 2. 原理植物细胞的全能性 （1）定义：细胞的全能性指已经分化

2、的细胞依然具有发育成完整个体的潜能， （2）原因：生物体的每一个细胞含有该物种所特有的全套的遗传物质（全部基因或全套遗传信息） （3）不同细胞全能性的高低：受精卵胚胎干细胞生殖细胞体细胞受精卵是全能性最高的细胞；生殖细胞和早期胚胎细胞具有较高的潜在全能性；体细胞离体后，在一定条件下表现出全能性。3. 过程，如下图： （1）脱分化：已高度分化的细胞经过诱导后，失去原有的结构和功能，恢复分裂能力转变为未分化细胞的过程。 （2）愈伤组织：离体的植物器官、组织或细胞，在脱分化过程中恢复细胞分裂能力，形成的一团薄壁细胞。其特点为：排列疏松无规则、高度液泡化、无定形状态、薄壁细胞（3）再分化：愈伤组织在一

3、定条件下，再分化出根和芽，形成完整植株的过程。4. 植物细胞全能性实现条件（植物组织培养的条件） （1） 离体条件 （2） 营养条件（由培养基提供）营养条件成分主要内容作用水水（H2O）为细胞代谢提供条件，参与细胞代谢无机盐大量元素：N、P、S、K、Ca、Mg微量元素：Fe、Mn、Mo、B、Cu、Zn满足植物对各矿质元素的需求，参与各种物质合成、代谢调节碳源蔗糖重要营养成分：愈伤组织不能进行光合作用，利用蔗糖进行异养生活大气CO2重要碳源：完成组织分化，形成营养器官后，叶片可进行光合作用氮源NH4+、NO3、氨基酸合成核酸、蛋白质、辅酶、核苷酸等生长因子细胞分裂素、生长素必不可少的调节物质：诱

4、导脱分化形成愈伤组织，诱导愈伤组织再分化成植株维生素明显促进离体组织的生长培养基固体培养基或半固体培养基形成植物地上、地下部分，利于生长需定时更换培养基，以防止代谢废物积累，满足营养需求。要点诠释（组培过程中的激素调控生长素与细胞分裂素）：进行植物组织培养时，生长素与细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化、再分化的关键性激素，在脱分化和再分化的过程中都需要在培养基中添加适当比例的生长素和细胞分裂素，以诱导细胞的脱分化和再分化，如下图：脱分化过程中，细胞分裂素与生长素共同使用，可促进愈伤组织的形成。再分化过程中，生长素与细胞分裂素的使用比例不同时，会有不同的效果：当生长素含量高于细胞分裂素时，即生长素

5、所用比例较高时，有利于根的分化，抑制芽的形成；当细胞分裂素含量高于生长素时，即细胞分裂素所用比例较高时，有利于芽的分化，抑制根的形成。注意：再分化时，生芽与生根的顺序一般应为先生芽再生根。生长素与细胞分裂素的先后使用顺序不同，对于其分裂和分化也会有不同的效果。（4）外界环境条件：温度、光、空气等常温培养：植物细胞在常温下生长正常光照条件：脱分化过程往往不需要光照，再分化过程一定要有光照。气体条件：CO、O等（5）无菌操作条件无菌技术是植物组织培养能否成功的关键：由于植物组织培养所利用的植物材料体积小、抗性差，所以对培养条件的要求较高。用于植物组织培养的培养基同样适合于某些微生物的生长，如一些细

6、菌、真菌等的生长。而培养物一旦受到微生物的污染，就会导致实验前功尽弃，因此要进行严格的无菌操作。要做到无菌操作，主要需进行以下操作：外植体消毒、接种环境消毒灭菌、无菌接种操作。5. 植物组织培养的意义（1）植物繁殖的新途径微型繁殖技术，快速繁殖优良品种；作物脱毒，利用分生区部分进行组织培养，获得脱毒苗（植物体内病毒是通过输导组织传播的，植物的茎尖还没有分化出输导组织，没有病毒，可做为脱病毒培养的外植体）；生产人工种子：愈伤组织可以诱导分化出胚状体，类似于种子的胚，包上人工种皮，形成人工种子，人工种子的种皮内除胚状体外还有胚状体发芽所需要的营养成分、植物激素及杀菌剂。（2）作物新品种的培育单倍体

7、育种：通过花药离体培养获得单倍体植株，再经过染色体加倍形成稳定的遗传新品种。突变体的利用：培养的细胞或愈伤组织经诱变处理会形成突变体。转基因植物的培育：导入了目的基因的植物细胞，需进行组织培养才能发育成完整植株。（3）通过组织培养技术培育植物细胞，获取细胞产物。如紫杉醇的工业生产。考点二、植物细胞工程植物体细胞杂交技术 1. 概念：植物体细胞杂交指将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，再通过组织培养将杂种细胞培育成新植物体的技术。 2. 原理：植物细胞的全能性（杂种细胞完整植株）、细胞膜的流动性3. 过程，如下图： 要点诠释：（1）植物细胞融合前，要利用纤维素酶、果胶酶去掉细胞壁，

8、分离出有活性的原生质体。 （2）人工诱导去壁后的原生质体融合的方法有：物理法：离心、振动、电刺激 化学法：聚乙二醇（PEG）诱导 （3）再生细胞壁的形成，是植物细胞融合完成或杂种细胞形成的标志，但并不意味着植物体细胞杂交成功，因为植物体细胞杂交的终点是培育成杂种植株而不是形成杂种细胞。3实例番茄马铃薯、烟草海岛烟草、白菜甘蓝、胡萝卜羊角芹4意义克服远源杂交不亲和性，培育新品种。5.存在问题 目前还不能让杂种植株完全按照人们的需求表达出优良性状。考点三、动物细胞工程动物细胞培养 1.培养条件 （1） 无菌、无毒的环境：如培养液和培养工具灭菌，培养液中常添加抗生素的抑菌，定期更换培养液，以清除代谢

9、废物，保障营养供应。 （2） 营养：培养液需加入葡萄糖、氨基酸、无机盐、促生长因子、微量元素等，另外还需加动物血清或血浆。 （3） 温度和pH：如培养哺乳动物细胞，温度控制36.5左右；pH：7.27.4 （4） 气体环境：一般为95%空气（其中的氧气用于有氧呼吸）+5% CO2（维持培养液pH） 2. 培养过程，如下图：要点诠释：（1）原代培养和传代培养原代培养得到细胞株，原代培养的概念有两种表述：表述一：指没有分瓶之前的细胞培养。表述二：指第1代及传代10代以内的细胞培养传代培养可得到细胞系，细胞系的遗传物质发生了改变，有癌变细胞的特点，传代培养的概念也有两种表述：表述一：指细胞悬浮液培养

10、一段时间后，分瓶进行的细胞培养。表述二：指10代以后的细胞培养。（2）细胞贴壁和接触抑制细胞贴壁：进行细胞培养时，一般情况下，细胞悬液中分散的细胞会很快贴附在瓶壁上，即细胞贴壁。接触抑制：贴壁细胞不断分裂生长到相互接触时，会停止分裂增殖，这种现象即为接触抑制。 因为有接触抑制现象，所以贴壁生长的细胞一般为单层细胞。 癌变的细胞没有接触抑制现象，可无限增殖。（3）胰蛋白酶的作用：取动物组织后，要用胰蛋白酶处理，分解掉细胞之间的蛋白质，使细胞分散开，便于将其制成细胞悬液。在由原代培养转为传代培养时，也需用胰蛋白酶处理贴壁细胞，再制成细胞悬液，以便进行传代培养。3. 细胞培养（克隆）的应用和意义 （

11、1） 获得具有重要价值的生物制品：如干扰素、病毒疫苗等。 （2） 修复受损伤的器官 （3） 检测有毒物质 （4） 培养正常或病变的细胞，用于生理、病理、药理等方面的研究，如筛选抗癌药物等。 （5） 是其他细胞工程技术（如克隆动物、单克隆抗体的制备、基因工程等）的基础4. 动物细胞培养、植物细胞培养（植物组织培养技术）比较：动物细胞培养植物组织培养原理细胞的增殖细胞的全能性细胞来源胚胎或幼龄动物组织或器官离体植物器官、组织或细胞（一般取幼嫩组织或花药等）过程原代培养传代培养脱分化再分化特点细胞贴壁生长，增殖不分化先诱导形成愈伤组织，再诱导细胞增殖分化不能体现细胞全能性可体现细胞的全能性接种前处理

12、消毒灭菌、用胰蛋白酶使组织分散成单个细胞消毒灭菌培养条件恒温、无菌、无需光照常温、无菌、光照条件培养结果细胞株细胞系愈伤组织植株培养基类型液体天然培养基固体或半固体合成培养基主要成分 葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、动物血清矿质元素、蔗糖、维生素、植物激素、有机添加物器皿培养瓶锥形瓶考点四、动物细胞工程动物细胞核移植技术（克隆动物） 1. 概念：动物细胞核移植技术是指将动物细胞的细胞核经移植到去核的卵母细胞中，使其重组并发育成新的胚胎，新胚胎最终发育为动物个体。用核移植的方法得到的动物为克隆动物。2. 原理：动物细胞核的全能性3. 类型 （1） 胚胎细胞核移植 （2） 体细胞核移植多莉 和胚胎

13、细胞核移植技术相比，体细胞核移植技术的主要突破为其利用的是已高度分化的成熟体细胞的细胞核。 4. 意义及存在的问题： （1） 理论意义：证明动物高度分化的细胞可恢复到类似受精卵的功能（细胞核具有全能性）；细胞质具有调控细胞核基因表达的作用 （2） 应用价值：促进优良种畜繁育；保护繁育濒危动物；核移植胚胎干细胞用于诱导形成器官；转基因动物克隆。（3） 存在问题：成功率低；大多数克隆动物存在健康问题，表现出遗传、生理缺陷。考点五、动物细胞工程动物细胞融合（单克隆抗体的制备）1. 动物细胞融合与植物细胞杂交的比较（1）动物细胞融合过程：（2）动物细胞融合与植物体细胞杂交之间既有共性又有差异，如下表所

14、示：植物体细胞杂交动物细胞融合操作水平细胞水平实质内容改变遗传物质、产生新的性状，获得新个体或细胞产品理论基础植物细胞的全能性、膜的流动性膜的流动性、细胞增殖细胞融合原理膜的流动性细胞融合方法去除细胞壁后诱导原生质体融合使细胞分散后诱导细胞融合诱导手段物理法：离心、振动、电激化学法：聚乙二醇（PEG）处理物理法：离心、振动、电刺激化学法：聚乙二醇（PEG）处理生物法：灭活（仙台）病毒诱导过程（1）去除细胞壁：纤维素酶、果胶酶（2）原生质体融合获得杂种细胞（3）筛选杂种细胞（4）植物组织培养获得植株或细胞产物（1）胰蛋白酶处理获得分散的单个动物细胞（2）诱导融合获得杂交细胞（3）筛选杂交细胞（4

15、）动物细胞培养获得细胞产品应用克服远缘杂交不亲和的障碍，获得杂种植株，如白菜甘蓝单克隆抗体的制备（杂交瘤细胞）2.单克隆抗体的制备（1）单克隆抗体的概念：单个B淋巴细胞进行增殖获得的细胞群，产生化学性质单一，物质特异性强的抗体 （2）制备原理：免疫原理：一种效应B细胞只产生一种特异性抗体，但不能无限增殖。 骨髓瘤细胞可以无限增殖细胞融合原理：膜的流动性使细胞可相互融合，效应B细胞与骨髓瘤细胞融合产生的杂交瘤细胞保持了亲代双方的特性，既能产生特异性抗体，又可无限增殖。 （3）传统方法获得的抗体（血清抗体）与单克隆抗体的区别制备方法特点单克隆抗体由杂交瘤细胞分泌特异性强、灵敏度高，易纯化分离，能大

16、量制备血清抗体各动物体内反复注射某种抗原，然后从血液中分离抗体特异性差、灵敏度低，分离困难，产量低（4）制备单克隆抗体的过程 要点诠释：单克隆抗体制备过程需经过两次筛选：第一次筛选筛选杂交细胞：B淋巴细胞与骨髓瘤细胞混合之后有三种情况，B淋巴细胞与B淋巴细胞融合、骨髓瘤细胞与骨髓瘤细胞融合、B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合，只有B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合的细胞才是需要的杂种细胞。第二次筛选筛选能产生抗体的杂交瘤细胞提取单克隆抗体的场所：若在体内培养杂交瘤细胞，即在小鼠或其他动物的腹腔中培养，则从腹水中提取。若在体外培养杂交瘤细胞，即在培养基中培养，则从培养液中提取。（5）单克隆抗体的应用：作为诊断试

17、剂：准确识别抗原（准确、高效、简易、快速）；用于疾病治疗和运载药物（如治疗癌症的药物“生物导弹”）【典型例题】类型一、植物组织培养例1（2015 北京卷）在应用农杆菌侵染植物叶片获得转基因植株的常规实验步骤中，不需要的是（ ） A用携带目的基因的农杆菌侵染植物细胞 B用选择培养基筛选导入目的基因的细胞 C用聚乙二醇诱导转基因细胞的原生质体融合 D用适当比例的生长素和细胞分裂素诱导愈伤组织生芽 【答案】C 【解析】在基因工程中，向植物细胞中导入目的基因可以采用农杆菌转化法，A 项正确；已经导入目的基因的细胞，可以插入标记基因，并设置针对标记基因的选择培养基进行选择，所以B项正确；细胞工程中，在细

18、胞融合时，可以用聚乙二醇诱导原生质体融合，而本题不涉及细胞融合，所以C项错误；在植物组织培养过程中，可以通过控制生长素和细胞分裂素的比例，来调节植物细胞的生命活动，所以D项正确。【点评】本题为考查基础知识的题目。举一反三：【变式1】为了探究6-BA和IAA对某菊花品种茎尖外植体再生丛芽的影响，某研究小组在培养基中加入6-BA和IAA，配制成四种培养基（见下表），灭菌后分别接种数量相同、生长状态一致、消毒后的茎尖外植体，在适宜条件下培养一段时间后，统计再生丛芽外植体的比率（m），以及再生丛芽外植体上的丛芽平均数（n），结果如下表。回答下列问题：（1）按照植物对无机盐元素的需求量，培养基中的元素可

19、分为 和 两类。上述培养基中，6-BA属于 类生长调节剂。（2）在该实验中，自变量是 ，因变量是 ，自变量的取值范围是 。 （3）从实验结果可知，诱导丛芽总数最少的培养基是培养基。 （4）为了诱导该菊花试管苗生根，培养基中一般不加入或少加（填“6-BA”或“IAA”）。 【答案】（1）大量元素；微量元素；细胞分裂素 （2）IAA浓度；丛芽外植体的比率及丛芽平均数；00.5mg/L （3）1 （4）6-BA类型二、植物体细胞杂交技术【高清课堂：细胞工程（克隆技术） 407907 典型例题4】例2通过细胞工程技术，利用甲、乙两种植物各自的优势，培育高产耐盐的杂种植株。请完善下列实验流程并回答问题：

20、（1）A过程需要 （填酶的种类）。B诱导过程常用的化学物质是 。C为 ，其再生出新的细胞壁的过程和细胞中的 （细胞器）密切相关。D是 ，E过程称之为 过程，F是具有 性状的幼芽。获得高产耐盐杂种植株的技术手段称为 ，该技术手段的意义是 。（2）若甲乙植物都是二倍体，获得的杂种植株理论上是 倍体， （能否）产生正常的配子。若目的植株丢失1条染色体，不能产生正常配子而高度不育，则可用 （化学试剂）处理幼芽，以便获得可育的植株。【答案】（1）纤维素酶和果胶酶；聚乙二醇（PEG）；高尔基体；杂种细胞；脱分化；耐盐；植物体细胞杂交技术；可克服远缘杂交不亲和的障碍，培育作物新品种；（2）（异源）四倍体；能

21、；秋水仙素；【解析】植物体细胞杂交的第一个步骤就是用纤维素酶和果胶酶处理植物细胞去除细胞壁，得到原生质体，然后再诱导原生质体融合，诱导再生细胞壁，得到杂种细胞，然后进行植物组织培养，经过脱分化得到愈伤组织，再经过再分化得到幼苗，最后发育成杂种植株。细胞壁的成分之一纤维素的合成与高尔基体有关，杂种植株含有4个染色体组，为异源四倍体，若植株丢失一条染色体，则减数分裂时联会紊乱无法形成正常的生殖细胞，即表现为不育，若用秋水仙素处理幼苗可以得到染色体加倍的植株，使其可育。【点评】本题主要考查植物体细胞杂交技术，同时考查染色体变异的知识，有一定的综合性。举一反三：【变式1】下列关于植物体细胞杂交的表述正

22、确的是（ ） A相同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，培育成新植物体 B植物体细胞杂交可以消除物种之间的生殖隔离，因而培育新的杂种植株 C植物体细胞杂交技术不涉及到植物细胞的全能性原理 D将不同植物的原生质体放在一起后，就可以自动实现原生质体的融合【答案】B【解析】若是同种生物，可用个体水平的杂交育种方法培育新品种，而不同物种之间有生殖隔离，需进行植物体细胞杂交获得含有两个物种优良性状的品种。【变式2】下图为植物体细胞杂交过程示意图。据图回答：（1）步骤是_，最常用的方法是_。（2）步骤一般常用的化学试剂是_，目的是 。（3）在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中，运用的技术手段是 ，其中步骤为

23、_过程，步骤为_过程。（4）植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株。使 能够在新的植物体上有所表现，其根本原因是_ 。（5）若远缘杂交亲本A和B都是二倍体，则杂种植株为 倍体。（6）从理论上讲，杂种植株的育性为 。若运用传统有性杂交方法能否实现？_。并说明理由_。因此，这项研究对于培养作物新品种方面的重大意义在于_。（7）利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔的遗传规律？为什么？_ 。【答案】（1）去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体；酶解法（2）聚乙二醇（PEG）；诱导植物体细胞的原生质体融合（3）植物组织培养；脱分化；再分化（4）远缘杂交亲本的遗传特征；杂

24、种植株获得双亲的遗传物质（5）四（6）可育；不能，因为不同种生物之间存在生殖隔离；克服确定远缘杂交不亲和的障碍，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围（7）不遵循。因为在生物进行有性生殖的过程中才遵循孟德尔的遗传规律，而植物体细胞杂交育种的过程不属于有性生殖。类型三、动物细胞培养技术例3某研究小组进行药物试验时，以动物肝细胞为材料，测定药物对体外培养细胞的毒性。供培养的细胞有甲、乙两种，甲细胞为肝肿瘤细胞，乙细胞为正常肝细胞。请回答下列有关动物细胞培养的问题： （1）将数量相等的甲细胞和乙细胞分别置于培养瓶中培养，培养液及其他培养条件均相同。一段时间后，观察到甲细胞数量比乙细胞数量_。 （2）在动

25、物细胞培养时，通常在合成培养基中加入适量血清，其原因是 。细胞培养应在含5CO2的恒温培养箱中进行，CO2的作用是 。 （3）在两种细胞生长过程中，当乙细胞铺满瓶壁时，其生长_。药物试验需要大量细胞，两种细胞频繁传代，甲细胞比乙细胞可以传代的次数更_。若用动物的肝脏组织块制备肝细胞悬液，需用_处理。 （4）为了防止细胞培养过程中细菌的污染，可向培养液中加入适量的 。 （5）已知癌基因X过量表达与肝肿瘤的发生密切相关，要试验一种抗肿瘤药物Y对甲细胞生长的影响，可将甲细胞分为A、B两组，A组细胞培养液中加入 ，B组细胞培养液中加入等量无菌生理盐水，经培养后，从A、B两组收集等量细胞，通过分别检测X

26、基因在A、B两组细胞中的 或_合成水平的差异，确定Y的药效。 【答案】（1）多 （2）血清可以补充合成培养基中缺乏的物质；维持培养液pH； （3）停止；多；胰蛋白酶 （4）抗生素 （5）Y；mRNA；蛋白质【解析】甲细胞是肿瘤细胞，肿瘤细胞具有无限增殖的能力，是细胞的增殖失控，而肝细胞是正常体细胞，分裂能力有限，在体外培养，具有接触抑制的特性。加入适量血清是为了提供一些营养物质和生长因子，CO2可以维持培养液的pH，动物细胞培养应先用胰蛋白酶处理小块组织是细胞之间的物质溶解消失，形成单个细胞的悬液。培养基中加入抗生素，可以抵抗外来杂菌对培养基的污染；由B组细胞处理可以看出是对照，A组是实验组，

27、所以要加入需要检测的抗癌药物Y，并检测基因X产物表达的差异，来确定Y的药效，基因X通过转录和翻译进行表达，转录的产物为mRNA，翻译的产物为蛋白质。【点评】本题主要考查细胞培养和基因表达的相关知识，在掌握基础知识的基础上，还需认真审题，获取准确信息，弄清出题意图。举一反三：【高清课堂：细胞工程（克隆技术） 407907 典型例题6】【变式1】下列关于动物细胞培养的叙述，正确的是（ ）A. 培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞B. 克隆培养法培养过程中多数细胞的基因型会发生改变C. 二倍体细胞的传代培养次数通常是无限的D. 恶性细胞系的细胞可进行传代培养【答案】D类型四、动物细胞核移

28、植技术克隆动物【高清课堂：细胞工程（克隆技术） 407907 典型例题11】例4下面两幅图分别是单克隆抗体制备过程和克隆羊培育过程示意图，请据图回答下列问题：（1）图甲和图乙所示的过程中，都必须用到的动物细胞工程技术手段是 。（2）图甲中步骤引发了小鼠的 免疫反应，从而可获得产生特异性抗体的B淋巴细胞，但B细胞分裂能力差；获取小鼠新鲜的骨髓瘤组织，在37下用 消化3040分钟形成离散细胞，在5% 培养箱中培养，5%该物质的作用是_，培养基是模拟了小鼠的 成分配制的，在培养基中加入一定量的抗生素，其目的是 。（3）图甲中过程常在 诱导下完成，两两融合形成的细胞有_种，所以需要利用 培养基筛选出既

29、能无限增殖又能分泌抗体的 细胞。单克隆抗体与常规的血清抗体相比，最大的优越性是 。（4）图乙克隆羊“多莉”是 羊的克隆（填序），克隆羊的成功从理论上证明了 ；若不考虑环境因素影响，它们性状是否完全相同 。原因是 。图乙中可以是雄性的羊是 (填序）。（5）图乙过程的技术具有多种用途，其中正确的是_ A有选择地繁殖某一性别的家畜； B繁殖家畜中的优良个体；C用于保存物种； D改变动物的染色体数目【答案】（1）动物细胞培养； （2）体液；胰蛋白酶；CO2；调节pH；内环境；防止杂菌污染； （3）聚乙二醇（灭活的病毒/离心、振动、电刺激）；3；选择；杂交瘤；特异性强、灵敏度高； （4）白面绵羊；动物体细胞核具有全能性；否；受细胞质基因的影响；（5）ABC【解析】（1）动物细胞培养技术是其他动物细胞技术的基础，其他动物细胞工程