資源簡介

第二章第一節 植物細胞工程
第一課時 植物細胞工程的基本技術
一、植物組織培養技術
1.細胞工程：應用細胞生物學、分子生物學和發育生物學等多學科的原理和方法，通過細胞器、細胞或組織水平上的操作，有目的地獲得特定的細胞、組織、器官、個體或其產品的一門綜合性的生物工程。
2.細胞的全能性：細胞經分裂和分化后，仍然具有產生完整細胞體或分化成其他各種細胞的潛能，即細胞具有全能性。在生物的生長發育過程中，并不是所有的細胞都會表現出全能性，這是因為在特定的時間和空間條件下，細胞的基因會選擇性表達。
3.植物組織培養技術
定義：是指將離體的植物器官、組織或細胞等，培養在人工配制的培養基上，給予適當的培養條件，誘導其形成完整植株的技術
技術流程
接種外植體：是指離體的植物器官、組織或細胞
誘導愈傷組織：是指已經分化的細胞，經過誘導，
脫分化而形成的不定型的薄壁組織團塊
誘導生芽
誘導生根
移栽成活
4.菊花的組織培養
（1）實驗原理
①植物細胞一般具有全能性。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，即失去其特有的細胞和結構，轉變成未分化的細胞，進而形成不定型的薄壁組織團塊，這稱為愈傷組織。愈傷組織能重新分化成芽、根等器官，該過程稱為再分化。
②植物激素中生長素和細胞分裂素是啟動細胞分裂、脫分化和再分化是關鍵激素，他們的濃度、比例等都會影響植物細胞的發育方向。將愈傷組織接種到含有特定激素的培養基上，就可以誘導其再分化胚狀體，長出芽和根，進而發育成完整的植株。
（2）
（3）注意事項
①實驗中使用的培養基和所有的器械都要滅菌。接種操作必須在酒精燈火焰旁進行，并且每次使用后的器械都要滅菌。
②制備菊花的外植體時首先要消毒，其次要選取幼嫩的莖段，因為該部分細胞易于誘導形成愈傷組織。
③接種時注意外植體的方向，不要倒插
④誘導愈傷組織期間一般不需要光照，在后續的培養過程中，每日需要給予適當時間和光照強度。
二、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）去壁：用纖維素酶和果膠酶去除植物細胞壁，獲得原生質體。
（2）誘導原生質體融合的方法
①物理法：包括電融合法、離心法等
②化學法：包括聚乙二醇融合法（PEG）、高Ca2+—高pH融合法等
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現出獨特的優勢。
歸納提升
1.細胞的全能性
（1）具有全能性的原因：一般生物體的每一個細胞都含有物種所特有的全套遺傳信息。
（2）現實體現：在生物的生長發育中，生物體內的細胞并不會表現出全能性，而是分化成各種組織和器官。這是因為在特定的時間和空間條件下，細胞內的基因會選擇性表達。
（3）不同細胞的細胞全能性的大小
①體細胞全能性：分化程度低的＞分化程度高的，細胞分裂能力強的＞細胞分裂能力弱的
②不同細胞的全能性：受精卵＞胚胎干細胞＞生殖細胞＞體細胞
③不同生物細胞的全能性：植物細胞＞動物細胞
（4）全能性與細胞分化的關系：隨著細胞分化程度的提高，細胞的全能性逐漸降低。
特別提醒：（1）細胞表達全能性的標志是發育成完整個體或分化成其他各種細胞。
（2）細胞具有全能性是因為細胞中有發育成完整個體所必須的“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。
2.植物組織培養相關概念解析
（1）外植體：離體培養的植物器官、組織或細胞
（2）胚狀體：植物細胞離體培養，經過脫分化和再分化，發育成胚狀體。胚狀體經過發育成完整植株。
（3）愈傷組織：一團沒有特定結構和功能，排列疏松而無規則，高度液泡化的呈無定形狀態的薄壁組織團塊。
（4）脫分化和再分化的比較
內容比較 脫分化 再分化
過程 外植體→愈傷組織 愈傷組織→幼苗
需要條件 ①離體 ②適宜的營養 ③生長素與細胞分裂素的比例適中 ④不需光 ①離體 ②適宜的營養 ③生長素和細胞分裂素的比值高（低）誘導生根（生芽） ④需光照
3.植株組織培養的條件
（1）離體、無菌
（2）環境條件適宜：如營養物質（水、無機鹽、蔗糖、維生素等）、植物激素（生長素和細胞分裂素）、適宜的溫度和光照。
4.植物組織培養的過程
離體的器官、組織、細胞愈傷組織胚狀體→完整植株
5.菊花組織培養實驗注意事項
（1）條件控制：植物組織培養過程中光照條件的控制非常重要，包括光的強度、光照時間和波長等。在形成愈傷組織的脫分化階段往往需要暗培養，而在再分化的過程中一定要有光照。脫分化階段的暗培養有利于細胞產生愈傷組織，因為在光照條件下容易分化產生維管組織，不利于產生大量的愈傷組織。再分化階段要有光照，這樣有利于誘導形成葉綠素。
（2）取材：
含形成層（分生組織）的部位易于誘導形成愈傷組織。盡植物體其他已分化的部位也可以用于組織培養，但誘導愈傷組織的形成比較困難。
（3）消毒和滅菌：
培養基中含有豐富的營養物質，不僅有利于培養物的生長，也有利于各種雜菌的培養。一旦被污染，迅速生長的各種雜菌不僅會與培養物爭奪營養，而且會產生大量對培養物有害的物質，導致培養物死亡。
（4）植物激素的作用
生長素與細胞分裂素的比值 作用效果
高 有利于根的分化，抑制芽的形成
低 有利于芽的分化，抑制根的形成
適中 促進愈傷組織形成
6.植物組織培養和植物體細胞雜交的比較
項目 植物組織培養 植物體細胞雜交
原理 植物細胞的全能性 細胞膜具有一定的流動性和植物細胞的全能性
過程 離體的植物器官、組織或細胞 ↓脫分化 愈傷組織 ↓再分化 根、芽或胚狀體 ↓發育 植物體 植物細胞A ↓去壁 原生質體A 人工誘導 ————→融合的原生質體AB 原生質體B ↓再生壁 ↑去壁 雜種細胞AB 植物細胞B ↓脫分化 愈傷組織 ↓再分化 雜種植株
選材 根尖、莖尖、形成層部位最容易誘導脫分化 不同來源的植物體細胞
技術操作 脫分化、再分化等 除脫分化、再分化外，還要用溶解法去除細胞壁，用一定的方法誘導細胞融合
關系 植物組織培養技術是植物體細胞雜交技術的基礎，植物體細胞雜交所用的技術更復雜
6.植物體細胞雜交過程中的注意事項
（1）植物體細胞雜交的培養基中要添加蔗糖濃度溶液且濃度略大于植物細胞質濃度。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
（2）體細胞融合后培養基主要有五種培養基類型（A/B/AA/BB/AB），其中融合細胞類型有三種（AA/BB/AB），而真正符合要求的是AB，因此要對融合細胞進行篩選
（3）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，變異類型是染色體數目的變異，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形狀
探究應用
例1 下列有關細胞的全能性的敘述，錯誤的是（）
A.受精卵在自然條件下能發育形成完整個體，因此全能性最高
B.生物體內的體細胞由于細胞分化，全能性不能表達
C.卵細胞和受精卵一樣，細胞未分化，全能性最高
D.植物細胞在一定條件下離體培養能表現出全能性
【答案】C
【解析】
受精卵是個體發育的起點，在自然條件下，通過細胞的分裂、分化形成完整的個體，所以受精卵的全能性最高；生物體內的體細胞由于細胞分化，細胞中的基因選擇性表達，因此全能性不能表達；卵細胞屬于分化程度高的細胞，與受精卵相比，全能性較低；分化的植物細胞盡管具有全能性，但如果要表現出全能性，植物細胞必須在一定條件下進行離體培養。
例2 下列有關菊花組織培養的敘述，錯誤的是（）
A.外植體一般選自未開花植株上的莖上部新萌生是嫩芽
B.為充分利用培養條件，每個錐形瓶可接種多個外植體
C.培養形成的愈傷組織可繼續在原培養基中分化形成植株
D.外植體接種前常進行流水沖洗，酒精處理，消毒液處理等消毒措施
【答案】C
【解析】
在以快速繁殖為主要目的時，菊花未開花植株的莖上部新萌生的側枝是最為常用的外植體，因為在該處理分裂能力強、分化程度低，全能性最容易表達，A項正確；為充分利用培養條件，每個錐形瓶可接種6到8個外植體，接種后，將封口膜重新扎好，B項正確；愈傷組織需要轉移到分化培養中才能再分化形成植株，C項錯誤；外植體接種前常進行消毒進行流水沖洗，酒精處理，消毒液處理等消毒措施，最后為了避免消毒液的危害，需要用無菌水清洗三次，D項正確。
第二課時 植物細胞工程的應用
一、植物繁殖的新途徑
1.快速繁殖
（1）含義
用于快速繁殖優良品種的植株組織培養技術，又稱為微型繁殖技術
（2）特點
可以高效、快速地實現種苗的大量繁殖
可以保持優良品種的遺傳特性
（3）成果
一些優良的觀賞植物、經濟林木、無性繁殖作物和瀕危植物等都實現利用快速繁殖的技術來提供苗木
2，作物脫毒
（1）原理
科學家發現在植物頂端分生區附近（如莖尖）的病毒極少，甚至無病毒
（2）方法
切取一定大小的莖尖進行組織培養，再生的植株就有可能不帶病毒，從而獲得脫毒苗
（3）特點
提高作物的產品和質量
（4）成果
目前采用莖尖組織培養技術脫去病毒，已在馬鈴薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠蘿和香蕉等許多作物上獲得成功
二、作物新品種的培育
1.單倍體育種
（1）過程：
花藥（或花粉）離體培養→單倍體植株純合子二倍體植株優良品種
（2）優點
①后代是純合子，能穩定遺傳
②明顯縮短育種年限
③進行體細胞誘變育種和研究遺傳突變的理想材料
（3）原理：
染色體變異
2.突變體的利用
（1）原理：
基因突變
（2）產生原因：
在植物的組織培養過程中，由于培養細胞一直處于不斷增值的狀態，因此他們容易受到培養條件和誘變因素（如：射線、化學物質等）的影響而產生突變。
（3）利用：
從產生突變的個體中篩選出對人們有用的突變體，進而培育成新品種。
三、細胞產物的工廠化生產
1.次生代謝物
（1）含義：
植物代謝產生的一些一般認為不是植物基本的生命活動所必須的產物。
（2）本質：
一類小分子有機化合物（如酚類、萜類和含氮化合物等）
（3）作用：
在植物抗病、抗蟲等方面發揮重要作用，是很多藥物、香料等的重要來源
（4）特點
一般不是植物基本生命活動所必須的物質
含量很低
有些不能或難以通過化學合成途徑的得到
2.植物細胞培養
（1）含義：
是指在離體條件下對單個植物細胞或細胞團進行培養使其增值的技術
（2）特點：
不占用耕地，幾乎不受季節、天氣等的限制
（3）意義
對于社會、經濟和環境保護具有重要意義
（4）成果：
利用植物細胞培養生產的紫草寧投入市場，成為世界上首例藥用植物細胞工程產品
我國科學家成功篩選出了高產紫杉醇的細胞
我國科學家成功實現了利用人參細胞培養生產人參中重要的活性成分——人參皂苷
探究應用
1.馬鈴薯利用他的塊莖進行無性繁殖，種植的世代多了以后往往會因感染病毒而減產，為此農戶都希望得到無病毒的幼苗進行種植。獲得無病毒幼苗的最佳方法是（）
A.選擇優良品種進行雜交
B.進行遠緣植物體細胞雜交
C.利用芽尖進行組織培養
D.人工誘導基因突變
【答案】C
【解析】芽尖分生能力旺盛，幾乎不含病毒，可以通過芽尖組織培養獲得脫毒苗
2.甘薯由于能增強免疫功能、防癌抗癌、抗衰老、防止動脈硬化等越來越被人們喜愛。但甘薯屬于無性繁殖作物，具有自交不育和雜交不親和性，這是甘薯的生產和育種存在諸多難以解決的問題。下列說法錯誤的是（）
A.利用組織培養繁殖甘薯的技術稱為快速繁殖
B.利用莖尖分生組織培養脫毒苗，使植株具備抗病毒的能力，產品質量得到提高
C.可以通過植物細胞培養獲得酚類等植物生長非必須的次生代謝物
D.利用培養的愈傷組織進行誘變育種，可以顯著提高變異頻率
【答案】B
【解析】
3.植物快速繁殖技術是利用植物組織培養技術進行快速繁殖優良品種的一種方法，A項正確；莖尖等部位的病毒，利用莖尖分生組織可能培養出不帶病毒的優良品種，即脫毒苗，脫毒苗不等于抗毒苗，脫毒苗不能使植株具有抗病毒的能力，B項錯誤；一般將不是植物基本的生命活動所必須的產物稱為次生代謝產物，他是一類小分子有機化合物。可以通過細胞培養獲得，C項正確；愈傷組織具有分裂旺盛的特點，適合做為誘變育種的材料，能提高突變頻率，D項正確
下圖表示番茄植株（HhRr）作為實驗材料培育新品種的途徑，據圖分析下列正確的是（）
A.品種A植株與途徑3中番茄幼苗基因型相同的概率為1/4
B.途徑4的育種原理為基因重組和染色體畸變
C.途徑2為花藥離體培養，用秋水仙素處理萌發的種子可以得到純合的二倍體番茄
D.途徑3對葉肉細胞進行培養時，可適當施用少量生長素使愈傷組織分化成根和莖葉
【答案】A
【解析】
品種A植株是HhRr自交產生的后代，途徑3中的番茄幼苗是通過組織培養形成的，基因型為HhRr，品種A植株的基因為HhRr的概率為1/4，品種A與途徑3中的番茄幼苗基因相同的概率為1/4，A正確；途徑4為誘變育種，原理為基因突變，B項錯誤；途徑2為單倍體育種，單倍體植株不可育，沒有種子，用秋水仙素處理單倍體幼苗可以得到純合的二倍體番茄，C項錯誤；在植物組織培養時，需要添加植物激素，其中生長激素和細胞分裂素是啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵激素。植物激素的濃度、使用的先后順序及用量都會影響實驗結果，D錯誤
4.如圖為利用突變體育種技術獲得抗除草劑白三葉草新品種的過程。下列敘述不正確的是（）
A.該育種過程依據的原理有基因突變和植物細胞的全能性
B.過程①②培養基中,不同植物生長調節劑的濃度比例不同
C.白三葉草愈傷組織和胚狀體的細胞中DNA和RNA種類相同
D.過程④通常采用的篩選方法是向白三葉草幼苗噴灑除草劑
【答案】C
【解析】
白三葉草愈傷組織和胚狀體的細胞中DNA種類相同，但因為基因的選擇性表達，RNA和蛋白質的種類是有差異的
5.下列有關植物細胞工程應用的敘述錯誤的是（）
A.利用植物組織培養技術培育脫毒苗，獲得抗病毒的新品種
B.利用植物組織培養技術進行植物的快速繁殖，能保持親本的優良形狀
C.利用細胞培養技術獲得紫草素，實現了細胞產物的工廠化生產
D.利用組物體細胞雜交技術獲得“蘿卜—甘藍”，克服不同生物遠緣雜交的障礙
【答案】A
【解析】
利用植株組織培養技術可以得到脫毒苗，但脫毒苗不一定具有抗病毒的能力；利用組織培養技術進行快速繁殖，該技術為無性生殖，可保留母本的優良性狀；在植物組織培養的愈傷組織階段可得到大量細胞，通過細胞代謝可產生大量細胞產物。
6.如圖表示利用棉花葉肉細胞原生質體進行遺傳改良的過程，下列敘述正確的是( )
A.②過程能定向誘導原生質體產生優良性狀的突變
B.③過程是否再生出細胞壁，可以用質壁分離實驗來檢測
C.④過程脫分化需用適宜配比的生長素和細胞分裂素處理
D.操作前需將離體的棉花葉肉細胞用體積分數為70%的酒精消毒30min
【答案】 B
【解析】
分析題圖:圖示表示利用棉花葉肉細胞原生質體培養進行遺傳改良的過程，其中①表示采用酶解法去除細胞壁，獲得原生質體的過程;②表示人工誘變過程;③表示脫分化形成愈傷組織的過程;④表示再分化過程;③④表示植物組織培養過程，其原理是植物細胞的全能性。
A、②表示人工誘變過程，但基因突變是不定向的，A錯誤;
B、③過程是否再生出細胞壁，可以用質壁分離實驗來檢測，B 正確;
C、④表示再分化過程，決定植物脫分化和再分化的關鍵因素是植物激素的種類和比例，錯誤;
D、操作前需將離體的棉花葉肉細胞用體積分數為70%的酒精消毒6~7s，D錯誤。故選B。

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