資源簡介

(共70張PPT)
2.1 植物細胞工程
2019版新教材高中生物
選擇性必修3精品學案
目 標 素 養
1.理解并掌握植物細胞全能性的概念、原因及其表現條件,形成結構與功能相適應的觀點。
2.運用歸納與概括的方法,總結植物組織培養技術的操作過程、原理、條件,并比較脫分化和再分化的異同。
3.理解植物體細胞雜交技術的過程、原理、意義,運用比較的方法,對比植物體細胞雜交和植物組織培養的異同,并嘗試構建植物體細胞雜交的流程圖,形成知識遷移的能力。
4.結合具體實例,說明植物細胞工程在快速繁殖、作物脫毒、作物新品種培育等方面的應用。
知 識 概 覽
一、細胞工程
1.應用原理
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。
2.操作水平
細胞器、細胞或組織水平。
3.操作目的
有目的地獲得特定的細胞、組織、器官、個體或其產品。
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,即細胞具有全能性。
2.現實表現
在生物的生長發育過程中,并不是所有的細胞都表現出全能性,比如,芽原基的細胞只能發育為芽,葉原基的細胞只能發育為葉。
3.現實表現的原因
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。
微判斷1棉花根尖細胞經誘導形成幼苗體現了細胞的全能性。( )
√
三、植物組織培養技術
1.概念
植物組織培養是指將離體的植物器官、組織或細胞(被稱為外植體)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.操作流程
(1)流程圖。
(2)脫分化和再分化。
①脫分化:在一定的激素和營養等條件的誘導下,已經分化的細胞失去其特有的結構和功能,轉變成未分化的細胞,進而形成不定形的薄壁組織團塊——愈傷組織。
②再分化:愈傷組織重新分化成芽、根等器官。
微點撥1植物組織培養過程中要嚴格控制光照,但不是全程需要光照。脫分化階段誘導產生愈傷組織需避光,不需要給予光照;再分化階段需要給予適當時間和強度的光照,以便于葉綠素的形成。
微判斷2愈傷組織是外植體通過脫分化和再分化形成的。
( )
×
四、植物體細胞雜交技術
1.概念:植物體細胞雜交是指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.操作流程、步驟
3.意義:植物體細胞雜交技術在打破生殖隔離,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。
微點撥2植物細胞融合完成的標志是再生出新的細胞壁;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。
微思考1從結果看,雜種植株遺傳物質的來源有何特點 從雜種植株的染色體組成看,屬于何種變異
提示:雜種植株的遺傳物質來自兩個親本。雜種植株的染色體數目增加,屬于染色體數目變異。
微判斷3用纖維素酶和果膠酶水解法獲得的植物原生質體失去了全能性。( )
×
微訓練下圖所示為植物體細胞雜交技術的部分過程,下列敘述錯誤的是(　　)
A.A細胞和B細胞誘導融合前要先
去除細胞壁,可用纖維素酶和果膠酶處理
B.從A細胞和B細胞到C細胞的過程中,常用離心、電融合或聚乙二醇(PEG)誘導融合
C.A細胞和B細胞融合完成的標志是再生出新的細胞壁
D.植物體細胞雜交技術的目的是獲得雜種細胞
答案:D
解析:植物細胞壁的主要成分是纖維素和果膠,因此細胞融合前需先用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁;誘導植物細胞融合時常用物理法或化學法;融合完成的標志是再生出新的細胞壁;植物體細胞雜交的目的是獲得雜種植株。
五、植物細胞工程的應用
1.植物繁殖的新途徑
(1)快速繁殖。
①優點:可以高效、快速地實現種苗的大量繁殖,還可以保持優良品種的遺傳特性。
②實質:植物組織培養。
③原理:植物細胞的全能性。
(2)作物脫毒。
①選材部位:植物頂端分生區附近(如莖尖)的病毒極少,甚至無病毒。
②優點:獲得脫毒苗,提高作物的產量和品質。
2.作物新品種的培育
(1)單倍體育種。
①方法:花藥或花粉離體培養→單倍體植株→誘導培育純合二倍體植株。
②優點:極大地縮短了育種的年限,節約了大量的人力和物力。
(2)突變體的利用。
①產生原因:在植物的組織培養過程中,培養細胞一直處于不斷增殖的狀態,因此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。
②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。
3.細胞產物的工廠化生產
(1)植物的代謝。
①初生代謝是生物生長和生存所必需的代謝活動,因此在整個生命過程中它一直進行著。初生代謝物有糖類、脂質、
蛋白質和核酸等。
②次生代謝不是生物生長所必需的,一般在特定的組織或器官中,并在一定的環境和時間條件下才進行。次生代謝物是一類小分子有機化合物(如酚類、萜類和含氮化合物等),在植物抗病、抗蟲等方面發揮作用,也是很多藥物、香料和色素等的重要來源。
(2)方法。
利用植物細胞培養來獲得目標產物,這個過程就是細胞產物的工廠化生產。植物細胞培養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殖的技術。
(3)意義。
對于社會、經濟、環境保護具有重要意義。
微點撥3單倍體育種不等于花藥離體培養。單倍體育種包括花藥離體培養和誘導染色體加倍兩個過程。花藥離體培養是單倍體育種的常用方法,該過程得到的植株是單倍體,表現為高度不育。而單倍體育種是在花藥離體培養的基礎上,用適當濃度的秋水仙素或低溫處理,從而獲得純合二倍體植株的技術。
微思考2快速繁殖是有性繁殖還是無性繁殖
提示:快速繁殖利用的是植物組織培養技術,屬于無性繁殖。
一 細胞的全能性
重難歸納
1.原理、實質
已經分化的體細胞(或細胞核)仍具有本物種個體發育所需要的全套遺傳物質,即每個細胞都有發育成本物種個體所需要的全套基因。
易錯警示 全能性的原理是細胞具有發育成完整個體所必需的“全套”基因而不是“全部”基因,而配子具有全套基因,同樣具有全能性。
2.植物細胞全能性表現的條件
離體狀態;適宜的條件(營養物質、植物激素、適宜的溫度和光照等)。
3.細胞全能性大小的比較
一般來說,細胞分化程度越高,全能性越低;細胞分化程度越低,全能性越高。隨著細胞分化程度的不斷提高,細胞的分裂能力和全能性逐漸降低。
(1)不同種生物細胞的全能性大小:植物細胞>動物細胞(動物細胞只有細胞核具有全能性)。
(2)同種生物不同細胞的全能性大小:受精卵>生殖細胞(精子、卵細胞)>體細胞。
(3)同種生物不同體細胞的全能性大小: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;幼嫩的細胞>衰老的細胞。
1958年,美國科學家斯圖爾德利用植物組織培養技術將胡蘿卜韌皮部的一些細胞進行離體培養,最終培育出了完整的新植株。這一科學實驗證明了植物細胞具有全能性。某同學用胡蘿卜的種子也培養出了胡蘿卜植株,他高興地表示他用實驗證明了植物細胞的全能性。該同學的說法對嗎 植物的種子發育成完整植株能否體現植物細胞的全能性
提示:不對。植物的種子發育成完整植株不能體現植物細胞的全能性。因為種子中的胚是由受精卵發育而成的,相當于新植物體的幼體,這一過程并沒有體現出細胞的全能性。
典例剖析
下列有關植物細胞全能性的敘述,正確的是(　　)
A.植物體只有體細胞才具有發育成完整個體所必需的全套基因
B.高度分化的植物細胞只有處于離體狀態時才有可能表現出全能性
C.愈傷組織細胞不具有全能性
D.將紫色糯性玉米種子培育成植株,這體現了植物種子具有全能性
B
解析:細胞具有全能性的原因是細胞具有發育成完整個體所必需的全套基因,而配子也具有這樣的全套基因,同樣具有全能性,A項錯誤。植物細胞全能性表達的前提是細胞、組織或器官處于離體條件下,B項正確。愈傷組織細胞具有全能性,C項錯誤。種子發育成植株,是正常的生命歷程,不能體現全能性,D項錯誤。
學以致用
生物體內的細胞沒有表現出全能性,而是分化為不同的組織、器官,這是因為(　　)
A.細胞喪失了全能性
B.基因進行了選擇性表達
C.不同細胞內的基因不完全相同
D.在個體發育的不同時期,細胞內的基因不同
解析:生物體內的細胞不能表現出全能性,是因為基因進行了選擇性表達而分化為不同的組織和器官。
B
二 植物組織培養技術
重難歸納
1.原理
植物細胞的全能性。
2.過程
規律總結 (1)在植物組織培養過程中,一定要對離體的植物材料的表面進行消毒。植物組織培養過程中應做到無菌操作,對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)利用植物組織培養生產細胞產物時,有時只需將外植體培養到愈傷組織階段,從愈傷組織中獲取產物。
3.脫分化與再分化過程的比較
比較項目 過程 形成體特點 條件
脫分化 離體的器官、組織或細胞形成愈傷組織 形成的愈傷組織呈不定形的薄壁組織團塊,細胞屬于未分化狀態 ①離體;
②提供營養物質(有機物、無機物);
③提供激素(生長素、細胞分裂素等);
④提供其他適宜條件(溫度、無菌等)
再分化 愈傷組織重新分化成芽、根等器官 有根、芽或有生根、發芽的能力
4.培養基
(1)植物組織培養的培養基為固體或半固體培養基,大多數都由無機營養成分、有機營養成分、激素和瓊脂等組成。其中無機營養成分主要是水和礦質元素;有機營養成分主要是蔗糖、氨基酸、維生素等;激素主要是細胞分裂素和生長素。
(2)培養順序:將生長良好的愈傷組織轉接到誘導生芽的培養基上,先進行生芽培養,長出芽后再轉接到誘導生根的培養基上,進行生根培養,最終誘導形成試管苗。
某研究小組在進行植物組織培養時,配制了三種培養基,三種培養基的使用順序及作用分別是誘導愈傷組織的形成、誘導生芽、誘導生根。培養期間進行了兩次轉接:將愈傷組織轉接到生芽培養基上,先進行生芽培養,再轉接到生根培養基上進行生根培養,最終誘導出試管苗。
(1)植物組織培養的影響因素有哪些
提示:材料的種類、年齡和保存時間的長短,植物激素的濃度、使用順序和用量比例,以及pH、溫度、光照等都會影響植物組織培養的結果。
(2)請分析生長素與細胞分裂素的使用比例和使用順序對植物組織培養的影響。
提示:①植物激素的使用比例對植物組織培養的影響
②激素使用的先后順序對細胞分裂和分化的影響
A.通常選取根尖、莖尖、形成層等誘導形成愈傷組織
B.②→③再分化過程中,細胞增殖的方式為有絲分裂
C.①→②→③過程中,應在培養基中加入水、無機鹽、蔗糖、氨基酸、植物激素等物質
D.將①經脫分化培養成②時,得到胚狀體
答案:D
典例剖析
解析:外植體通常選用根尖、莖尖、形成層等容易誘導形成愈傷組織的部位,A項正確。②→③再分化過程中,細胞增殖的方式為有絲分裂,B項正確。①→②→③過程中,應在培養基中加入水、無機鹽、蔗糖、氨基酸、植物激素等物質,C項正確。①經脫分化形成②愈傷組織,②經再分化形成③胚狀體,D項錯誤。
學以致用
下圖表示植物組織培養過程。下列有關敘述正確的是(　　)
A.②的培養基中含有植物激素,不含有機物
B.②中的細胞進行脫分化并以減數分裂的方式不斷增殖
C.調節③培養基中不同植物激素
的比例可改變植物細胞分化方向
D.④植株根尖中分生區細胞與成
熟區細胞的全能性表達的難易程度相當
答案:C
解析:②的培養基中含有植物激素和有機物等,A項錯誤。②中的細胞進行的分裂方式是有絲分裂,B項錯誤。調節③培養基中不同植物激素的比例,可改變細胞分化方向,C項正確。細胞分化程度越低,全能性越高,④植株根尖中分生區細胞全能性的表達比成熟區細胞容易,D項錯誤。
三 植物體細胞雜交技術
重難歸納
1.過程
(1)過程a是利用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁,獲得原生質體。
(2)過程b是誘導原生質體融合,人工誘導的方法分為物理法和化學法。
(3)過程c是原生質體融合后再生出細胞壁,這是原生質體融合成功的標志。
(4)過程d是植物組織培養過程。
(5)雜種細胞的篩選:體細胞融合成功以后,既有AB型雜種細胞,還有AA型和BB型兩種融合細胞,但只有AB型細胞是植物體細胞雜交所形成的雜種細胞,因此在雜種細胞形成后還應有一個篩選過程。
2.兩個原理
(1)植物體細胞(原生質體)融合的原理:細胞膜的流動性。
(2)植物組織培養(雜種細胞培養成雜種植株)的原理:植物細胞的全能性。
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。
特別提醒 (1)從生殖類型上看,植物體細胞雜交技術不涉及生殖細胞的形成和結合,屬于無性生殖,變異類型應屬于染色體數目變異。
(2)植物體細胞雜交的終點是培育成雜種植株,而不是形成雜種細胞。雜種植株具備兩種植物的遺傳特性,原因是雜種植株中含有兩種植物的遺傳物質。
1.驅蚊香草含有香茅醛,能散發出一種特殊的香氣,從而達到驅蚊且對人體無害的效果。驅蚊香草是由天竺葵和香茅草的葉肉細胞融合培育而成的。請比較此技術與植物組織培養技術的區別。
提示:
2.若將兩個不同物種的植物細胞(設為甲、乙)進行融合,甲細胞含有2x條染色體,2個染色體組,基因型為Aabb;乙細胞含有2y條染色體,2個染色體組,基因型為ccDd。
(1)如果只考慮兩個異種細胞雜交的話,則新植株應為幾倍體 其體細胞中有幾條染色體、幾個染色體組 基因型是什么
提示:新植株應為異源四倍體;其體細胞中含有2x+2y條染色體,4個染色體組;基因型為AabbccDd。
(2)分析通過植物體細胞雜交技術獲得的雜種植株的遺傳物質。
提示:①雜種植株中含有兩種植物的遺傳物質,故雜種植株具備兩種植物的遺傳特性。
②染色體組數=兩種植物體細胞內染色體組數之和。
典例剖析
通過植物體細胞雜交技術可
以獲得“煙草—菠菜”——一種
新型的植物品種。下圖為培育
雜種植株過程的示意圖,下列操作錯誤的是(　　)
A.在融合之前應先去除兩種細胞的細胞壁
B.原生質體先進行脫分化處理再融合
C.原生質體融合后篩選出雜種細胞繼續培養
D.應先誘導雜種細胞形成愈傷組織再誘導分化成植株
B
解析:植物細胞具有細胞壁,細胞壁阻礙著細胞的雜交,因此,在進行植物體細胞雜交之前,必須先利用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁,獲得原生質體,A項正確。原生質體先融合形成雜種細胞,雜種細胞脫分化形成愈傷組織,再誘導分化成雜種植株,B項錯誤,D項正確。原生質體融合后,若僅考慮兩兩融合的情況,有三種類型,即煙草—煙草型,菠菜—菠菜型和煙草—菠菜型,故需篩選出我們需要的雜種細胞再繼續培養,C項正確。
學以致用
下列關于植物體細胞雜交的敘述,錯誤的是(　　)
A.不同種植物原生質體融合的過程屬于植物體細胞雜交過程
B.融合的原生質體仍具有再生細胞壁、連續分裂并長成完整植株的能力
C.參與雜種細胞的細胞壁形成的細胞器主要是線粒體和核糖體
D.原生質體融合成功的標志為雜種細胞再生出細胞壁
C
解析:植物體細胞雜交過程包括不同種植物原生質體的融合、融合原生質體再生出細胞壁形成雜種細胞、雜種細胞發育為雜種植株的過程,A、B兩項正確。參與植物細胞壁形成的細胞器主要是高爾基體和線粒體,C項錯誤。雜種細胞再生出細胞壁是原生質體融合成功的標志,D項正確。
1.下列有關細胞工程的敘述,錯誤的是(　　)
A.細胞工程應用的是細胞生物學、分子生物學和發育生物學等多學科的原理和方法
B.可以通過在分子水平上的操作,按照人的意愿來改變細胞內的遺傳物質
C.可以通過在細胞器、細胞或組織水平上的操作,有目的地獲得細胞產品
D.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
B
解析:細胞工程是指應用細胞生物學、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.下圖為胡蘿卜的離體組織在一定條件下培育形成試管苗的過程示意圖。下列有關敘述正確的是(　　)
A.①②過程中均發生細胞的增殖
和分化
B.愈傷組織失去了細胞的全能性
C.①②過程所用培養基的激素
種類與濃度相同
D.此過程獲得的試管苗可能是雜合子
答案:D
解析:題圖中①為脫分化過程,在該過程中,細胞通過有絲分裂增殖,但不會發生分化;②為再分化過程,在該過程中,細胞也通過有絲分裂增殖,且不斷分化。愈傷組織細胞含有該物種全套的遺傳物質,仍具有全能性。①所用培養基是誘導脫分化的培養基,②所用培養基為誘導再分化的培養基,這兩個過程所用培養基的激素種類相同,但濃度不同。經植物組織培養獲得的試管苗的基因型與母體相同,若母體為雜合子,則試管苗也為雜合子,因此該過程獲得的試管苗可能是雜合子。
3.下圖是利用植物體細胞雜交技術培育新植株的過程,植物細胞A和植物細胞B分別來源于二倍體植物甲和乙。下列有關分析正確的是(　 )
A.過程①需要將植物細胞
置于含纖維素酶和果膠酶
的低滲溶液中
B.過程②要用聚乙二醇等
誘導原生質體融合,主要依據是細胞膜具有選擇透過性
C.將雜種細胞培育成新植物體過程中需要根據生長發育進程更換培養基
D.最終得到的植株相對于甲、乙而言發生了染色體數目變異,不可育
C
解析:過程①為去除細胞壁,需要將植物細胞置于含有纖維素酶和果膠酶的等滲溶液中,A項錯誤。過程②采用聚乙二醇等誘導原生質體A、B融合,依據的原理是細胞膜的流動性,B項錯誤。將雜種細胞培育成新植物體的過程中,不同的發育階段需要不同的培養基,C項正確。最終得到的植株相對于甲、乙來說,染色體數目發生了變異,但由于甲、乙都是二倍體,所以理論上得到的雜種植株是異源四倍體,是可育的,D項錯誤。
4.通過植物組織培養技術培育農作物,其優點不包括(　　)
A.加快培育速度　　　　 B.保持親本的優良性狀
C.培育出無病毒植株 D.改變植物的基因型
答案:D
5.百合通過球莖進行無性繁殖,種植的世代多了以后往往會因感染病毒而減產,為此花農都希望得到無病毒的幼苗。在最短時間內獲得大量無病毒幼苗的最佳方案是(　　)
A.花藥離體培養 B.選取成熟組織進行培養
C.利用莖尖進行組織培養 D.人工誘導基因突變
答案:C
解析:因為植物頂端分生區附近(如莖尖)的病毒極少,甚至無病毒,故短時間內獲得大量無病毒幼苗的方法是利用莖尖進行組織培養。
6.下圖是植物體細胞雜交過程示意圖,如果兩種植物均為二倍體,請據圖回答下列問題。
(1)圖中所示過程的原理有　　　　　　　、　　　　　　　。
(2)圖中的①過程是　　　　　　　。
(3)植物體細胞融合成功的標志是形成　　　　　　　,其形成與細胞內的　　　　　　　　　(細胞器)有關。
(4)③和④過程分別是　　　　　　　和　　　　　　　的過程。該雜種植物有　　　　個染色體組。
(5)該雜種植株理論上是　　　　　的(填“可育”或“不可育”)。
(6)該技術最顯著的優勢是 　。
答案:(1)細胞膜的流動性　植物細胞的全能性
(2)去除細胞壁,制備原生質體
(3)新的細胞壁　高爾基體和線粒體
(4)脫分化　再分化　四
(5)可育
(6)打破生殖隔離,實現遠緣雜交育種,培育植物新品種等

展開更多......

收起↑