資源簡介 細胞工程:第1節 植物細胞工程 第1課時 植物細胞工程的基本技術學有目標——新課程標準必明 記在平時——核心語句必背1.闡明細胞全能性的概念。 2.概述植物組織培養的基本過程。 3.描述植物體細胞雜交技術的基本過程。 4.嘗試進行菊花的組織培養。 1.植物組織培養的基本過程: ―→ 2.植物組織培養技術的理論基礎是植物細胞的全能性,植物體細胞雜交技術的理論基礎是細胞膜的流動性和植物細胞的全能性。 3.去除細胞壁制備原生質體用到的酶是纖維素酶和果膠酶。 4.人工誘導原生質體融合的方法有物理法(電融合法和離心法)和化學法(聚乙二醇融合法、高Ca2+高pH融合法)。一、理清主干知識一、細胞工程的概念與分類原理和方法 細胞生物學、分子生物學和發育生物學操作水平 細胞器、細胞或組織水平目的 獲得特定的細胞、組織、器官、個體或其產品分類 植物細胞工程和動物細胞工程二、細胞的全能性1.概念:細胞經分裂和分化后,仍然具有產生完整生物體或分化成其他各種細胞的潛能。2.生物體內細胞不能表現全能性的原因:在特定的時間和空間條件下,細胞中的基因會選擇性地表達。三、植物組織培養技術1.概念:將離體的植物器官、組織或細胞等,培養在人工配制的培養基上,給予適宜的培養條件,誘導其形成完整植株的技術。2.理論基礎:植物細胞的全能性。3.基本過程(1)脫分化:在一定的激素和營養等條件的誘導下,已經分化的細胞可以經過脫分化,即失去其特有的結構和功能,轉變成未分化的細胞,進而形成愈傷組織的過程。(2)愈傷組織:脫分化產生的不定形的薄壁組織團塊。(3)再分化:愈傷組織重新分化成芽、根等器官的過程。4.菊花的組織培養四、植物體細胞雜交技術1.概念:將不同來源的植物體細胞,在一定條件下融合成雜種細胞,并把雜種細胞培育成新植物體的技術。2.過程(1)過程①表示去除細胞壁。(2)過程②表示誘導原生質體融合。(3)過程③表示雜種細胞再生出細胞壁。(4)過程④和⑤分別表示脫分化和再分化。3.意義:在打破生殖隔離,實現遠緣雜交育種,培育植物新品種等方面展示出獨特的優勢。二、診斷自學效果1.判斷下列敘述的正誤(1)高度分化的成熟葉肉細胞不具有細胞的全能性(×)(2)植物種子萌發形成幼苗體現了植物細胞的全能性(×)(3)植物的每個細胞在植物體內和體外都能表現出細胞的全能性(×)(4)愈傷組織是外植體經脫分化和再分化后形成的(×)(5)無論脫分化還是再分化過程中均需提供光照(×)(6)利用物理法或化學法可以直接將兩個植物細胞誘導融合(×)2.下列有關細胞工程的敘述,錯誤的是( )A.細胞工程應用了細胞生物學、分子生物學及發育生物學的原理和方法B.在細胞水平或細胞器水平上完成操作C.可分為植物細胞工程、動物細胞工程和細菌細胞工程D.可按照人的意愿改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產物解析:選C 細胞工程應用的是細胞生物學、分子生物學及發育生物學的原理和方法,A正確;細胞工程是在細胞水平或細胞器水平上的操作,B正確;根據操作對象的不同,可以分為植物細胞工程和動物細胞工程兩大領域,C錯誤;細胞工程可按照人們的意愿來改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品,D正確。3.如圖表示用某二倍體植株進行植物組織培養的過程,下列說法正確的是( )A.①→②進行的是減數分裂B.②的分化程度高于①C.③是具有分裂、分化能力的薄壁細胞D.該過程體現了植物細胞的全能性解析:選D 在植物組織培養過程中涉及有絲分裂,沒有減數分裂,A錯誤;②是愈傷組織,①為離體的植物組織、器官或細胞,②的分化程度低于①,B錯誤;②是具有分裂、分化能力的薄壁細胞,C錯誤;該過程表示用某二倍體植株進行植物組織培養的過程,體現了植物細胞的全能性,D正確。4.如圖為植物體細胞雜交過程示意圖。下列有關利用植物細胞A和B培育成為雜種植株過程的敘述,錯誤的是( )A.②過程利用了細胞膜的流動性B.該過程利用了細胞融合技術和植物組織培養技術C.該過程能夠體現植物細胞的全能性D.雜種植株能表現植物A、B的所有優良性狀解析:選D 該圖為植物體細胞雜交過程示意圖。過程①②③是植物體細胞雜交過程,運用了細胞融合技術,體現了細胞膜具有一定的流動性;④⑤是植物組織培養過程,培育成雜種植株,體現了植物細胞的全能性;雜種植株的基因選擇性表達,不能表現出植物A、B的所有優良性狀。[在探究中學明]無論是絢麗多姿的花草,還是碧綠參天的大樹,大多是通過播種或扦插實現繁殖的。其實在一定的條件下,利用它們的一片葉子、一片花瓣,甚至一粒花粉,同樣可以繁殖出新的植株。觀察胡蘿卜植物組織培養的流程圖,回答相關問題:1.植物組織培養的基本過程―→(1)①過程表示脫分化,A是愈傷組織,②過程表示再分化。(2)離體的植物器官、組織或細胞通常稱為外植體。(3)在植物組織培養過程中,啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵性激素是生長素和細胞分裂素。2.植物組織培養技術的理論基礎是植物細胞的全能性,為什么植物細胞具有全能性?提示:植物細胞具有全能性的原因:一般來說,生物體的細胞中都含有該物種所特有的全套遺傳物質,都有發育成為完整個體所必需的全部遺傳信息。3.在生物體內,細胞并不表現出全能性,而是分化為不同的組織、器官,其原因是什么?提示:細胞全能性表達的基本條件之一是離體狀態。例如:植株上的分生組織細胞在體內只能進行分裂分化,形成不同的組織,但不能表現出全能性,這是因為在特定的時間和空間條件下,細胞中的基因會選擇性地表達。4.在植物組織培養的過程中,為什么要進行一系列的消毒、滅菌,并且要求無菌操作?提示:培養物一旦受到微生物的污染,這些微生物會和外植體爭奪培養基中的營養物質,并且產生大量對外植體有害的物質,導致外植體死亡。[在深化中提能]1.植物細胞的全能性(1)原因:生物體的每一個細胞都含有該物種所特有的全套遺傳物質。(2)全能性表現的條件:①離體狀態;②一定的營養物質;③植物激素;④其他適宜的外界條件(溫度、pH、光照、氧氣、無菌等)。2.植物激素在植物組織培養中的作用(1)生長素和細胞分裂素是啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵性因素。(2)按照不同的順序使用生長素和細胞分裂素,會得到不同的實驗結果。使用順序 實驗結果先使用生長素,后使用細胞分裂素 有利于細胞分裂,但細胞不分化先使用細胞分裂素,后使用生長素 細胞既分裂又分化同時使用 分化頻率提高(3)生長素和細胞分裂素的比例影響植物細胞的發育方向。生長素/細胞分裂素 作用效果比值高時 促進根的分化、抑制芽的形成比值低時 促進芽的分化、抑制根的形成比值適中 促進愈傷組織的形成[巧學妙記] 巧記生長素和細胞分裂素的比例對植物組織培養的影響,“比值高,根分化;比值低,芽分化;比值適中,不分化”。即“高根低芽中愈傷”。3.植物組織培養過程中應注意的問題(1)接種時注意外植體的方向,應將外植體的形態學下端插入培養基,不能倒插。(2)培養一株完整的試管苗,必須先進行生芽培養,再進行生根培養。如果順序顛倒,先誘導生根,就不好誘導生芽了。(3)菊花植物組織培養中,愈傷組織的形成一般不需要光照,而在后續的培養過程中,需要一定量的光照。(4)試管苗一般在高濕、弱光、恒溫等條件下培養生長,出瓶后一定要注意保溫、保濕。(5)試管苗的光合作用能力弱,在移栽前應給予較強光照閉瓶煉苗,以促進幼苗向自養苗轉化。 (2020·黃岡期中)如圖為煙草植物組織培養過程的流程圖,下列有關敘述錯誤的是( )A.過程③發生脫分化,其實質是基因的選擇性表達B.過程②應根據要求使用適宜的培養基,在避光的環境中進行C.對過程①獲取的根組織塊應做消毒處理D.植物組織培養的理論基礎是植物細胞的全能性[解析] 過程③發生再分化,其實質是基因的選擇性表達,A錯誤;過程②為脫分化,應根據要求使用適宜的培養基,在避光的環境中進行,否則不能形成愈傷組織,B正確;對過程①獲取的根組織塊(外植體)應做消毒處理,C正確;植物組織培養的理論基礎是植物細胞的全能性,D正確。[答案] A[在應用中落實]1.(2020·北京東城區期末)下列關于植物組織培養的敘述中,正確的是( )A.蘿卜韌皮部細胞在不離體的情況下可以通過脫分化形成愈傷組織B.組織培養過程中應給予適當光照以促進愈傷組織的光合作用C.培養基中的生長素和細胞分裂素會影響愈傷組織的生長和分化D.以一株植物的葉片或花藥為外植體培育的植株基因型相同解析:選C 蘿卜韌皮部細胞只有在離體的情況下才可以通過脫分化形成愈傷組織,A錯誤;愈傷組織不含葉綠體,不能進行光合作用,B錯誤;培養基中的生長素與細胞分裂素的使用順序和比例會影響愈傷組織的生長和分化,C正確;由于花藥中花粉是經減數分裂形成的,因此以一株植物的葉片或花藥為外植體培育的植株基因型不相同,D錯誤。2.青蒿素是治療瘧疾的特效藥物,中國科學家屠呦呦因在抗瘧疾藥物青蒿素的提取方面做出了突出貢獻而獲得2015年諾貝爾生理學或醫學獎。下圖為利用組織培養獲得含青蒿素較高的黃花蒿的基本流程。試回答下列問題:(1)青蒿素通過使瘧原蟲的線粒體內膜脫落,導致其________________過程受阻,使細胞缺乏________________而不能正常增殖。(2)圖中①、②代表的生理過程分別是______________。此過程除營養物質外還必須向培養基中添加__________________________________。植物組織培養的主要原理是________________。(3)組織培養過程中外植體通常選取黃花蒿的分生區組織的原因是________________________,愈傷組織中提取不到青蒿素的原因是__________________________。過程②和過程③使用的培養基中,細胞分裂素比例較高的是過程________。(4)某小組得到的黃花蒿幼苗葉片顏色為黃色,可能的原因是培養基中沒有添加________元素,也可能是____________________。解析:(1)線粒體內膜是有氧呼吸第三階段的反應場所,所以青蒿素通過使瘧原蟲的線粒體內膜脫落,會導致有氧呼吸第三階段過程受阻,使細胞缺乏能量供應而不能正常增殖。(2)分析圖示,①表示脫分化,②表示再分化誘導生芽。培養基中需添加營養物質和植物激素(生長素和細胞分裂素)。植物組織培養的主要原理是植物細胞的全能性。(3)分生區組織的細胞生長較為旺盛,容易得到愈傷組織,因此常作為組織培養過程中外植體的材料,愈傷組織中提取不到青蒿素的原因是相關基因沒有在愈傷組織中表達。過程②表示再分化誘導生芽,過程③表示誘導生根,細胞分裂素有利于生芽,生長素有利于生根,所以過程②細胞分裂素比例較高。(4)某小組得到的黃花蒿幼苗葉片顏色為黃色,即為類胡蘿卜素的顏色,缺少葉綠素,可能的原因是培養基中沒有添加鎂元素,也可能是培育過程中沒有給予光照。答案:(1)有氧呼吸(第三階段) 能量供應(2)脫分化、再分化 植物激素(或生長素和細胞分裂素) 植物細胞的全能性 (3)生長較為旺盛,容易得到愈傷組織 相關基因沒有在愈傷組織中表達 ② (4)鎂 培育過程中沒有給予光照[在探究中學明]經過長期的實驗,科學家們采用體細胞雜交的方法,終于得到了“番茄馬鈴薯”雜種植株。分析植物體細胞雜交技術流程圖,回答下列問題:1.植物體細胞雜交的基本過程(1)過程①為去除細胞壁獲得具有活力的原生質體,所用到的酶是纖維素酶和果膠酶。(2)過程②是原生質體的融合,其原理是細胞膜的流動性,人工誘導的物理法包括電融合法和離心法等;化學法包括聚乙二醇融合法和高Ca2+高pH融合法等。(3)過程③是原生質體融合后再生出細胞壁,過程④是植物組織培養技術。2.在植物體細胞雜交過程中,原生質體融合的過程利用的生物學原理是細胞膜的流動性,雜種細胞發育成雜種植株利用的生物學原理是植物細胞的全能性。3.植物體細胞融合形成雜種細胞是否標志著植物體細胞雜交技術的完成?提示:不是,細胞融合成功的標志是雜種原生質體再生出細胞壁形成雜種細胞,植物體細胞雜交完成的標志是培育出雜種植株,而不是形成雜種細胞。4.只考慮兩兩融合,原生質體A和B可以形成幾種融合細胞?哪種融合細胞才是符合要求的?提示:三種類型:AA、BB、AB;只有AB型才是符合要求的。5.從結果上看雜種植株在遺傳上有何特點?從雜種植株的染色體組成上看屬于何種變異?提示:遺傳物質來自兩個親本,具有雙親的遺傳性狀;染色體數目增加,屬于染色體數目的變異。6.從新品種培育的角度分析,植物體細胞雜交技術最大的優點是什么?提示:克服了不同種植物遠緣雜交的障礙,使不同種植物雜交成為可能。[在深化中提能]1.植物體細胞雜交過程中的要點剖析(1)細胞融合體現細胞膜的流動性;雜種細胞發育成雜種植株體現植物細胞的全能性。(2)與傳統有性雜交相比,植物體細胞雜交具有的優越性①克服植物遠緣雜交不親和的障礙;②打破物種之間的生殖隔離;③擴大遺傳重組的范圍。(3)植物體細胞雜交的培養基中要添加蔗糖且濃度略大于植物細胞質濃度,原因是蔗糖溶液不僅為原生質體提供營養,而且還能維持一定的滲透壓,使原生質體保持正常的形態。(4)體細胞融合后,培養基中的細胞有三類:①未融合的細胞(A和B);②兩兩融合的細胞(AA、BB和AB);③多細胞融合體。只有AB型細胞是我們需要的雜種細胞,因此還應有一個篩選過程。2.體細胞雜交過程中涉及的遺傳知識(1)從生殖類型上看,植物體細胞雜交技術沒有生殖細胞的形成和結合,屬于無性生殖,變異類型屬于染色體數目的變異,形成的是異源多倍體,由于含有兩個親本的遺傳物質,因此理論上應具有兩個親本的遺傳性狀。(2)體細胞雜交即兩個細胞融合成一個細胞,不管染色體、基因組還是染色體組都是兩親本之和。若一植物細胞含有2x條染色體,2個染色體組,基因型為Aabb,另一植物細胞含有2y條染色體,2個染色體組,基因型為ccDd,則新植株應為異源四倍體,其體細胞中染色體數為(2x+2y)條,含4個染色體組,基因型為AabbccDd。(3)培育雜種植株的過程中,遺傳物質的傳遞不遵循孟德爾遺傳定律,只有進行有性生殖的生物經減數分裂形成配子時才符合遺傳定律,而體細胞雜交沒有上述過程。 以下為植物體細胞雜交技術流程圖,其中甲和乙分別表示兩種二倍體植物細胞,所含有的染色體組分別是AA和BB。據圖分析,下列敘述正確的是( )A.經過程①獲得的a、b稱為原生質層B.c細胞只有AABB這一種類型C.過程④和⑤分別是分化和再分化D.獲得的植物d,因為在減數分裂時同源染色體能正常配對,所以理論上是可育的[解析] 經①去除植物細胞壁過程獲得的a、b稱為原生質體,A錯誤;兩兩融合的細胞類型有三種:AAAA、BBBB、AABB,B錯誤;過程④和⑤分別是脫分化和再分化,C錯誤;植物體細胞雜交,獲得的植物d,因為其同源染色體在減數分裂時能正常配對,所以理論上是可育的,D正確。[答案] D[在應用中落實]1.(2020·烏魯木齊一模)蘿卜和甘藍是親緣關系較近的兩種植物,蘿卜體細胞的染色體組成可表示為2N=AA=18,甘藍體細胞的染色體組成可表示為2N=BB=18。科研人員利用蘿卜和甘藍培育作物新品種,將蘿卜與甘藍雜交,收獲種子并培育成F1植株。下列相關敘述正確的是( )A.F1可通過自交產生同時具有蘿卜和甘藍優良性狀的后代B.用一定濃度的秋水仙素處理F1的葉肉細胞可使染色體數目加倍C.F1體細胞的染色體組成可表示為2N=AB=18D.蘿卜與甘藍可雜交產生F1,說明二者不存在生殖隔離解析:選C 蘿卜和甘藍雜交產生的后代高度不育,所以F1不能通過自交產生同時具有蘿卜和甘藍優良性狀的后代,A錯誤;F1的葉肉細胞已高度分化,不再分裂,所以用一定濃度的秋水仙素處理F1的葉肉細胞不能使染色體數目加倍,B錯誤;蘿卜產生的配子染色體組成可表示為N=A=9,甘藍產生的配子染色體組成可表示為N=B=9,所以蘿卜與甘藍雜交,F1體細胞的染色體組成可表示為2N=AB=18,C正確;蘿卜與甘藍可雜交產生F1,F1植株細胞中不含同源染色體,高度不育,說明二者存在生殖隔離,D錯誤。2.(2020·邢臺期末)玉米(2N=20)和水稻(2M=24)均為二倍體植物,某實驗小組擬用體細胞雜交技術培育富含β胡蘿卜素的“黃金大米”植株,過程設計如圖所示。請回答下列問題:(1)①為原生質體的制備過程,該過程需要的酶是________________,制備原生質體的過程不能在清水中進行,以防止________________。(2)原生質體融合過程體現了細胞膜________________的結構特點。(3)圖中融合的雜種細胞中含有________個染色體組,該雜種細胞培育形成的植株的精原細胞在減數分裂過程中能產生________個四分體。(4)③過程__________(填“需要”或“不需要”)在光下進行,⑤過程中愈傷組織分化的方向與培養基中____________________有關。解析:(1)①為原生質體的制備過程,通常用酶解法。由于細胞壁的主要成分是纖維素和果膠,所以該過程需要的酶是纖維素酶和果膠酶。由于細胞壁對細胞有支持和保護作用,所以制備原生質體的過程不能在清水中進行,以防止原生質層吸水漲破。(2)原生質體融合過程體現了細胞膜具有一定流動性的結構特點。(3)由于玉米(2N=20)和水稻(2M=24)均為二倍體植物,所以圖中融合的雜種細胞中含有4個染色體組,該雜種細胞含有22對44條染色體,所以培育形成的植株的精原細胞在減數分裂過程中能產生22個四分體。(4)③過程為雜種細胞再生出細胞壁,不需要在光下進行,⑤過程中愈傷組織分化的方向與培養基中植物激素的種類和比例有關。答案:(1)纖維素酶和果膠酶 原生質層吸水漲破 (2)具有一定流動性 (3)4 22 (4)不需要 植物激素的種類和比例 [課堂鞏固落實]1.如圖為植物組織培養的過程示意圖。下列敘述正確的是( )①②③―→④A.①必須脫離母體后,才可能完成上述過程B.②由排列疏松的薄壁細胞組成,沒有全能性C.②→③的再分化過程中,只利用細胞分裂素即可誘導②生根D.在上述植物組織培養過程中不需要光照條件解析:選A 分析題圖可知,①②③④依次代表外植體(離體的植物器官、組織或細胞)、愈傷組織、根或芽、植株。植物體的器官、組織或細胞只有處于離體狀態時,才可能表現出全能性,發育成完整的植株。愈傷組織細胞具有全能性。生根還是發芽取決于激素的種類、濃度和用量比例等,當生長素與細胞分裂素比值高時,有利于生根;比值低時,有利于發芽。植物組織培養中某些階段需要光照。2.(2020·天津期末)科學家將番茄和馬鈴薯細胞利用圖示技術獲得了“番茄馬鈴薯”植株。下列有關敘述正確的是( )A.圖示技術涉及的原理有細胞膜的流動性、植物細胞的全能性等B.過程②可用電激、聚乙二醇或滅活的病毒誘導原生質體融合C.e、f的培養基中只需添加無機營養成分即可D.f培養基中生長素與細胞分裂素的配比與e培養基中的相同解析:選A 圖示過程為植物體細胞雜交,圖示技術涉及的原理有細胞膜的流動性、植物細胞的全能性等,A正確;過程②為原生質體融合,可用電激、聚乙二醇等誘導原生質體融合,不能用滅活的病毒誘導原生質體融合,B錯誤;e、f為植物組織培養的培養基,需提供無機營養成分、有機營養成分和植物激素等,C錯誤;f培養基為再分化培養基,其中生長素與細胞分裂素的配比與e脫分化培養基中的不同,D錯誤。3.(2019·江蘇高考)為探究矮牽牛原生質體的培養條件和植株再生能力,某研究小組的實驗過程如圖。下列敘述正確的是( )A.過程①獲得的原生質體需懸浮在30%蔗糖溶液中B.過程②需提高生長素的比例以促進芽的分化C.過程③需用秋水仙素處理誘導細胞壁再生D.原生質體雖無細胞壁但仍保持細胞的全能性解析:選D 過程①是制備原生質體,獲得的原生質體若懸浮在30%的蔗糖溶液中會失水皺縮,A錯誤;過程②是植物組織培養的再分化過程,需提高細胞分裂素的比例以促進芽的分化,B錯誤;秋水仙素的作用是抑制紡錘體的形成,且脫分化形成的愈傷組織細胞已經具備細胞壁,故過程③不需要用秋水仙素處理,C錯誤;原生質體雖無細胞壁,但含有細胞核,細胞核中含有個體發育所需的全部遺傳信息,故原生質體仍保持細胞的全能性,D正確。4.(2019·全國卷Ⅲ)培養胡蘿卜根組織可獲得試管苗,獲得試管苗的過程如圖所示。切取潔凈的胡蘿卜根段 ―→對根段進行消毒 ―→切取1 cm3左右帶有形成層的組織塊 ―→接種組織塊 ―→誘導組織塊形成愈傷組織 ―→誘導愈傷組織形成試管苗回答下列問題。(1)利用胡蘿卜根段進行組織培養可以形成試管苗。用分化的植物細胞可以培養成完整的植株,這是因為植物細胞具有________________________。(2)步驟③切取的組織塊中要帶有形成層,原因是____________________________。(3)從步驟⑤到步驟⑥需要更換新的培養基,其原因是_____________________________________________________________________________。在新的培養基上愈傷組織通過細胞的________過程,最終可形成試管苗。(4)步驟⑥要進行照光培養,其作用是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(5)經組織培養得到的植株,一般可保持原品種的________,這種繁殖方式屬于________繁殖。解析:(1)植物細胞具有全能性,故用分化的植物細胞可以培養成完整的植株。(2)形成層細胞分化程度低、全能性高,易培養成功,所以要選取含有形成層的組織進行組織培養。(3)培養愈傷組織過程中,需要一定的營養和激素誘導等條件,步驟⑤和步驟⑥在培養過程中需要的生長素和細胞分裂素的濃度、用量比例不同,所以從步驟⑤到步驟⑥需要更換新的培養基。在培養基上愈傷組織通過細胞的分化(再分化)過程,最終可形成試管苗。(4)試管苗需要照光培養,以便誘導葉綠素的形成,使試管苗能夠進行光合作用,培養成正常的植株。(5)組培植株是在離體植物器官、組織、細胞等培養的基礎上獲得的,其理論基礎是植物細胞具有全能性,其一般可以保持優良品種的遺傳特性。植物組織培養技術沒有經過兩性生殖細胞的融合,因此屬于無性繁殖。答案:(1)全能性(或答:形成完整植株所需的全部基因)(2)形成層容易誘導形成愈傷組織 (3)誘導愈傷組織形成和誘導愈傷組織分化形成試管苗所需的生長素和細胞分裂素的比例不同 分化(或答:再分化) (4)誘導葉綠素的形成,使試管苗能夠進行光合作用 (5)遺傳特性 無性 展開更多...... 收起↑ 資源預覽 縮略圖、資源來源于二一教育資源庫