2020版高中生物 第2章 细胞工程 2.1 2.1.1 植物细胞工程的基本技术学案 新人教版选修3

2．1.1 植物细胞工程的基本技术
1．了解细胞工程的含义。

2．理解植物细胞的全能性。

(重点)
3．掌握植物组织培养技术的过程及用途。

(重点)
4．理解植物体细胞杂交技术的过程。

(重点)
(一)细胞工程的概念与分类
1．概念
(1)原理和方法：细胞生物学和分子生物学。

(2)操作水平：细胞水平或细胞器水平。

(3)目的：按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品。

2．种类
根据操作对象不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程。

(二)植物细胞的全能性
1．概念：具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能，也就是说，每个生物细胞都具有全能性的特点。

2．现实表现：在生物的生长发育过程中，细胞并不会表现出全能性，而是分化成各种组织和器官。

3．影响细胞全能性表现的原因：在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会有选择性地表达出各种蛋白质，分化形成不同的细胞，从而构成生物体的不同组织和器官。

4．表达时两个重要的过程：
(1)脱分化：让已经分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。

(2)再分化：脱分化产生的愈伤组织在一定的培养条件下，再分化出幼根和芽，形成完整的小植株。

[合作探讨]
探讨1：请比较基因工程和细胞工程的概念，总结二者的不同。

提示：(1)操作水平：基因工程是分子水平的操作，细胞工程是细胞水平或细胞器水平
的操作。

(2)目的：基因工程的目的是创造出符合人们需要的新的生物类型和生物产品，细胞工程的目的是按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品。

探讨2：理论上每种活细胞都具有全能性，请分析细胞具有全能性的原因。

提示：活细胞都具有发育成该物种个体所需的全套遗传物质。

探讨3：植物的种子发育成完整植株，是否体现了细胞的全能性？为什么？
提示：没有。

因为细胞的全能性是指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能，而种子中的胚已完成了早期发育，相当于新植物体的幼体，没有体现细胞发育成完整植物体的能力。

[思维升华]
1．细胞的全能性
(1)具有全能性的原因：一般生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质，都有发育成为完整个体所必需的全部基因。

(2)不同细胞全能性的大小。

①体细胞全能性：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。

②不同细胞的全能性：受精卵>胚胎干细胞>生殖细胞>体细胞。

③不同生物的细胞全能性：植物细胞>动物细胞。

(3)全能性与细胞分化的关系：随着细胞分化程度的不断提高，细胞的全能性逐渐降低。

2．植物细胞全能性表达所需条件
(1)体细胞未表现全能性的原因：基因的选择性表达。

(2)体现细胞全能性的条件：
(1)细胞表达全能性的标志是发育成完整个体而不是形成某种组织或者器官。

(2)细胞具有全能性是因为细胞中具有发育成完整个体所必需的“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。

1．以下不能说明细胞全能性的实验是( )
【导学号：72240017】A．玉米花粉粒培育出植株
B．转入贮存蛋白基因的向日葵细胞培育出植株
C ．烧伤病人的健康细胞培养出皮肤
D ．胡萝卜的形成层组织培育成胡萝卜幼苗
【解析】 细胞的全能性是指具有某种生物全套遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能。

玉米花粉粒培育出植株、向日葵细胞培育出植株、胡萝卜的形成层组织培育成胡萝卜幼苗都是全能性的体现，只有C 选项没有得到完整个体，不能体现细胞的全能性。

【答案】 C
2．下列有关植物细胞全能性的叙述中，正确的是( )
A ．植物体只有高度分化的体细胞才具有发育成完整个体的潜能
B ．植物体内某些体细胞没有表现出全能性，其原因是所含基因不同
C ．植物细胞的全能性是植物体细胞杂交技术的理论基础
D ．植物细胞脱分化过程体现了植物细胞的全能性
【解析】 植物细胞的全能性是指高度分化的植物细胞仍然具有发育成完整植物体的潜能，实际上只要植物细胞含有本物种生长发育的全套基因就应具有全能性，如配子；植物体内所有体细胞均来源于同一受精卵的有丝分裂，遗传物质应相同；植物体细胞杂交技术的理论基础是植物细胞的全能性；植物细胞脱分化过程并没有发育到完整的植株，不能体现植物细胞的全能性。

【答案】 C
1．原理：植物细胞的全能性。

2．过程：离体的植物器官、组织、细胞――――――――→一定的营养、激素
愈伤组织――――――――――――→
含有不同激素成分的培养基
再分化胚状体或丛芽―→试管苗。

3．脱分化：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成未分化细胞的过程。

4．植物组织培养的条件
(1)离体的植物细胞、组织、器官。

(2)无菌和人工控制。

(3)培养在人工制备的培养基上。

(4)给予适宜的培养条件。

5．实验：胡萝卜的组织培养
(1)原理：离体的植物器官、组织或细胞―――→脱分化愈伤组织―――→再分化
幼根和芽→完整植物体
(2)过程： 取材：消毒后选取根的形成层部位，切取1 cm 3
左右的小块，因为该部位容易诱导形成愈伤组织
接种：将组织块接种到诱导培养基上，诱导出愈伤组织
培养：在23～26 ℃恒温避光条件下培养一段时间，再将愈伤组织转接到分化培养基上培养诱导出试管苗
移栽：将试管苗移栽到大田，培养成正常植株
[合作探讨]
探讨1：在植物组织培养过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？
提示：避免杂菌在上面迅速生长消耗营养，且有些杂菌会危害培养物的生长。

探讨2：为什么切取胡萝卜根的形成层？其他部分也能培养成小植株吗？
提示：胡萝卜根的形成层容易诱导形成愈伤组织，其他部分如叶、花也能培养成小植株，只是稍微困难些。

探讨3：诱导愈伤组织的过程中是否都应避光培养？
提示：不一定。

用不同植物或同一植物不同部位的组织细胞，诱导出愈伤组织所需的条件不一定相同。

探讨4：若培养物取自植物的幼茎、叶片等含有叶绿体的部位，愈伤组织中是否会含有叶绿体？
提示：培养物经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞，愈伤组织中不含有叶绿体。

[思维升华]
1．植物组织培养的过程 外植体离体的植物器官、组织、细胞―――――――→
一定的营养、激素脱分化愈伤组织――――――→调整激素比例再分化胚状体或丛芽→试管苗
(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．植物组织培养中各过程的比较
1．下列关于运用植物组织培养技术产生新个体的叙述，错误的是( )
【导学号：72240018】
A ．属于无性生殖
B ．主要理论依据是植物细胞具有全能性
C ．培养过程中由于人工培养基含大量营养，不需光照就能发育成完整植株
D ．人工培养基中含植物生长发育所需的全部营养物质，包括矿质元素、糖、维生素等
【解析】 植物组织培养属于无性生殖，依据的理论基础为植物细胞的全能性；在培养基中含有植物细胞发育所需要的全部营养物质；组织培养的脱分化阶段不需要光，但是再分化阶段需要光。

【答案】 C
2．下图所示为胡萝卜的韧皮部细胞通过无菌操作，接入试管后，在一定条件下，形成试管苗的培育过程。

请据图回答下列问题：
(1)要促进细胞分裂生长，培养基中应有营养物质和激素。

营养物质包括________和小分子有机物，激素包括细胞分裂素和________两类植物激素。

(2)此过程依据的原理是______________。

A 和B 阶段主要进行的分裂方式是________，
B阶段除了细胞分裂外，还进行细胞 ________等。

(3)此过程要无菌操作，主要是指对________进行灭菌消毒。

B阶段需要光照，原因是__________________________________________________________
_______________________________________________________________。

(4)试管苗的根细胞没有叶绿素，而叶的叶肉细胞具有叶绿素，这是________的结果。

(5)A、B两过程能否在同一培养基上进行？___________________________。

【解析】植物组织培养是用离体的植物组织、器官或细胞接种到经消毒灭菌的培养基中，培养基含有供组织细胞生长发育所需要的无机物和小分子有机物，还有供调节细胞脱分化和再分化的细胞分裂素和生长素。

由外植体发育到试管苗，脱分化阶段细胞进行有丝分裂；再分化阶段愈伤组织经细胞有丝分裂和分化形成试管苗，此阶段需要光照，原因是叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件。

由于细胞分裂素和生长素对脱分化、再分化的作用不同，因此需配制不同浓度比值的生长素、细胞分裂素培养基，通过转接以便顺利完成脱分化和再分化。

【答案】(1)无机物生长素
(2)细胞的全能性有丝分裂分化
(3)培养基芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件
(4)基因选择性表达
(5)不能
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
(1)去壁：用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁，获得原生质体。

(2)诱导原生质体融合的方法：
①物理法：离心、振动、电激等。

②化学法：用聚乙二醇(PEG)诱导。

3．意义
克服不同种生物远缘杂交的不亲和性。

探讨1：将白菜体细胞和甘蓝体细胞融合时，首先遇到的障碍是什么？用什么方法可以
解除此障碍？
提示：细胞壁阻碍细胞间的融合。

用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。

探讨2：只考虑两两融合，原生质体A和B可以形成几种融合细胞？哪种融合细胞才是
符合要求的？
提示：三种。

AB才是符合要求的。

探讨3：细胞融合完成的标志与植物体细胞杂交完成的标志相同吗？为什么？
提示：不相同。

细胞融合完成的标志是杂种细胞再生出细胞壁，而植物体细胞杂交完成
的标志是培育出杂种植株，而不是形成杂种细胞。

探讨4：从结果上看杂种植株在遗传上有何特点？从杂种植株的染色体组成上看属于何
种变异？
提示：(1)遗传物质来自两个亲本，具有双亲的遗传性状。

(2)染色体数目增加，属于染
色体数目的变异。

探讨5：从新品种培育的角度分析，植物体细胞杂交技术最大的优点是什么？
提示：克服了不同种植物远缘杂交的障碍，使不同种植物杂交成为可能。

[思维升华]
1．植物组织培养和植物体细胞杂交的比较
(1)植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖且浓度略大于植物细胞质浓度，不仅为原生质体提供营养，而且还能维持一定的渗透压，使原生质体保持正常的形态。

(2)体细胞融合后培养基中共有5种细胞类型(A、B、AA、BB、AB)，其中融合细胞类型有3种(AA、BB、AB)，而真正符合要求的是AB，因此要对融合细胞进行筛选。

(3)体细胞杂交过程中涉及的遗传知识：
①从生殖类型上看，植物体细胞杂交技术没有生殖细胞的形成和结合，应属于无性生殖，变异类型应是染色体数目的变异，形成的是异源多倍体，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。

②体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管染色体、基因组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。

③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，只有在有性生殖进行减数分裂过程中才符合遗传定律，而体细胞杂交没有此过程。

1．下列有关植物体细胞杂交的叙述，错误的是( )
A．有可能把两个植物体的优良性状集中在杂种植株上
B．需要用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁
C．利用聚乙二醇可以促进原生质体融合
D．植物体细胞杂交就是将不同的植物体细胞融合成杂种细胞
【解析】植物体细胞杂交之前，需要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；进行原生质体间的融合，必须要进行人工诱导，如可用聚乙二醇促进原生质体融合；植物体细胞杂交就是将不同的植物体细胞融合成杂种细胞，并将该杂种细胞培育成新的植物体的技术。

【答案】 D
2．用细胞工程技术将天竺葵与香茅草杂交产生了驱蚊香草，下列有关培育过程的叙述错误的是( )
A．需要用酶解法制备原生质体
B．愈伤组织的代谢类型是自养需氧型
C．克服了远缘杂交不亲和的障碍
D．包含了有丝分裂和细胞分化的过程
【解析】该过程中需利用植物体细胞杂交技术，需先利用纤维素酶和果胶酶处理，以制备原生质体；愈伤组织细胞不能进行光合作用，需利用培养基中的有机物；其代谢类型应为异养需氧型，B项错误；该技术克服了天竺葵与香茅草之间的种间障碍，杂种细胞培育成完整植株包括了有丝分裂及细胞分化为茎、叶、根等过程，C、D项正确。

【答案】 B
1．下列属于植物组织培养的是( ) 【导学号：72240019】
A．花粉培养成单倍体植株
B．芽发育成枝条
C．根尖分生区发育成成熟区
D．受精卵发育成植株
【解析】植物组织培养的过程简要概括为：离体的植物器官、组织或细胞经脱分化形成愈伤组织，经再分化形成根、茎、芽等器官，并进一步培养出完整的植株。

花粉离体培养
是植物组织培养的新技术，花粉细胞具有全能性；芽发育成枝条、根尖分生区发育成成熟区是正常的生长过程，受精卵发育成植株是正常的生殖过程。

【答案】 A
2．在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中，下列哪一项条件是不需要的( )
A．消毒灭菌B．适宜的温度
C．充足的光照D．适宜的养料和激素
【解析】形成愈伤组织，需要在消毒灭菌条件下进行。

因为只有在消毒灭菌条件下，才能保证培养出的组织、细胞避免感染，否则培养基内将长出许多微生物，与离体细胞争夺营养与生存空间，使其不能形成愈伤组织。

由于此阶段形成的是愈伤组织，并没有形成具有根、茎、叶的植物体，因此不需要光照。

【答案】 C
3．某兴趣小组拟用组织培养繁殖一种名贵花卉，其技术路线为“取材→消毒→愈伤组织培养→出芽→生根→移栽”。

下列有关叙述，错误的是( )
A．消毒的原则是既杀死材料表面的微生物，又减少消毒剂对细胞的伤害
B．在愈伤组织培养中加入细胞融合的诱导剂，可获得染色体加倍的细胞
C．出芽是细胞再分化的结果，受基因选择性表达的调控
D．生根时，培养基通常应含α­萘乙酸等生长素类调节剂
【解析】植物组织培养中消毒的原则是既杀死材料表面的微生物，又减少消毒剂对培养材料的伤害；形成的愈伤组织需先除去细胞壁得到原生质体，再在细胞融合诱导剂作用下获得染色体加倍的细胞；细胞分化的实质是基因的选择性表达；植物组织培养过程中，生根阶段的培养基中通常应含有生长素类调节剂。

【答案】 B
4．野生马铃薯品种的植株具有较强的抗病、抗虫、抗盐碱、抗寒能力，但块茎不能食用。

某专家做实验研究，用野生马铃薯与马铃薯的体细胞进行杂交，培育出了生活能力强的杂交系马铃薯。

据图分析回答问题：
(1)①过程植物细胞原生质体的分离需经过酶解，其中“酶解”所用的酶应该包括_____________________________________________________________。

(2)②过程需要用到聚乙二醇(PEG)，其目的是________。

(3)请用文字和箭头表示出④→⑤技术过程的实验流程：___________________________________________________________________。

11 由此过程可以看出植物细胞有形成再生组织的可能性，这是________________________的表现。

(4)一般在培养基上培养24～48小时后，大部分原生质体已再生出细胞壁。

可以取样，通过____________________实验来鉴别细胞壁是否已经再生。

(5)请说明运用植物体细胞杂交法的最大的好处：______________________
_______________________________________________________________。

【解析】 细胞壁主要由纤维素和果胶组成，可以用纤维素酶和果胶酶将其水解。

在细胞融合时常用聚乙二醇作为诱导剂，诱导原生质体融合。

④→⑤是杂种细胞经过脱分化、再分化形成幼苗的过程，这是植物细胞全能性的表现。

有细胞壁的植物细胞可以进行细胞的质壁分离与复原。

植物体细胞杂交不通过有性生殖，故可以克服有性生殖远缘杂交不亲和的障碍，培育出兼有两物种品质的优良物种。

【答案】 (1)纤维素酶、果胶酶 (2)诱导原生质体融合 (3)融合细胞――→脱分化
愈伤组织――→再分化
幼苗 植物细胞具有全能性 (4)植物细胞的质壁分离与复原 (5)可使本来存在生殖隔离的物种进行杂交，培育出兼有两物种品质的优良物种(或克服了远缘杂交不亲和的障碍)
课堂小结：。