2.1.1 植物细胞工程的基本技术 学案(人教版选修3)

2．1植物细胞工程
2．1.1植物细胞工程的基本技术
1．细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物
学的原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平上的
操作，按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获
得细胞产品的一门综合科学技术。

2．理论上每个活细胞都具有全能性。

3．细胞全能性的大小依次是：受精卵>生殖
细胞>体细胞。

4．植物组织培养的理论基础是细胞的全能性。

5．植物体细胞杂交的理论基础是细胞膜的流动性和细胞的全能性。

6．人工诱导原生质体融合的方法有物理法(离心、振动、电激)和化学法(聚乙二醇处理)。

[自读教材·夯基础]
1．细胞工程的概念
2．细胞的全能性
(1)含义：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。

(2)影响全能性表达的原因：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，从而构成生物体的不同组织和器官。

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改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品。

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。

[跟随名师·解疑难]
1．细胞全能性的实质
已经分化的体细胞(或细胞核)仍具有本物种个体发育所需要的全套遗传物质，即每个细胞都有发育成个体所需要的全部基因。

2．细胞全能性大小的比较
(1)植物细胞>动物细胞(动物细胞只有细胞核具有全能性)。

(2)受精卵>生殖细胞(精子、卵细胞)>体细胞。

(3)体细胞：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；幼嫩的细胞>衰老的细胞。

(4)随着细胞分化程度的不断提高，细胞的全能性逐渐降低。

3．植物细胞表现全能性的条件
[特别提醒]
(1)全能性一定由一个细胞(或细胞核)发育成完整个体中体现出来，反之，不能称为全能性。

如选择干细胞培育成某一器官，其过程不属于细胞的全能性。

(2)全能性的原理是细胞具有发育成完整个体所必需的“全套”基因而不是“全部”基因，因此含一个染色体组的配子中也有全套基因，同样具有全能性。

1．理论基础
植物细胞的全能性。

2．操作流程
离体的器官、组织或细胞――脱分化―→再分化
试管苗
(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，进而形成愈伤组织的过程。

(2)再分化：愈伤组织在一定的培养条件下，分化出幼根和芽，进而形成完整小植株的过程。

3．胡萝卜的组织培养过程
4．植物组织培养技术概念
在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。

结合胡萝卜的组织培养实验，思考下列问题：
(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。

(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。

(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、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。

[跟随名师·解疑难]
1．植物组织培养的过程
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――――――――→不同激素成分的培养基
再分化胚状体或丛芽→试管苗。

2．植物组织培养中脱分化与再分化过程的比较
3．植物激素在植物组织培养中的作用
[特别提醒] 外植体脱分化的难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而不同。

一般来说，植物的花和幼嫩的组织脱分化相对比较容易，而植物的茎、叶和成熟的组织较难。

1．概念
将两个来自不同种植物的体细胞，在一定条件下融合成一个杂种细胞，并且把杂种细胞培养成新的植物体的方法。

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。

1．结合教材P36图2-5思考下列问题：
(1)如何去除植物体细胞的细胞壁？
(2)原生质体融合的原理是什么？
(3)原生质体融合完成的标志是什么？
提示：(1)利用纤维素酶和果胶酶。

(2)细胞膜具有一定的流动性。

(3)杂种细胞再生出细胞壁。

2．植物体细胞杂交产生的“白菜—甘蓝”，用传统的方法可否产生？
提示：不能，因为不同物种之间存在生殖隔离。

[跟随名师·解疑难]
1．植物体细胞杂交的过程
①过程是原生质体的获取。

常用方法是酶解法去除细胞壁，所用到的酶是纤维素酶和果胶酶。

这样可以获得具有活力的原生质体。

②过程是原生质体间的融合。

该过程必须要借助一定的技术手段进行人工诱导。

人工诱导的方法基本分为两大类——物理法和化学法。

物理法包括离心、振动、电激等，化学法一般用聚乙二醇(PEG)作为诱导剂来诱导细胞融合。

③过程是杂种细胞形成。

杂种细胞形成的标志是杂种细胞再生出细胞壁。

在此过程中活跃的细胞器是高尔基体。

④⑤过程是杂种植株的产生。

通过植物组织培养的方法将杂种细胞培育成杂种植株。

2．植物体细胞杂交过程中的注意事项
(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，目的是蔗糖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)体细胞融合成功后培养基中共有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，但由于含有两个亲本的遗传物质，因此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采用直
接相加的方法。

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。

[例1] 的是( )
四倍体兰花叶片――→①
愈伤组织――→②
胚状体――→③
植株 A ．②和③阶段会发生减数分裂
B ．①阶段需生长素而③阶段需细胞分裂素
C ．①阶段有细胞增殖但无细胞分化
D ．此兰花的花药离体培养所得植株为二倍体 [思路点拨]
[精讲精析] 图中①是脱分化，②、③是再分化。

②和③阶段会发生有丝分裂。

①阶段和③阶段都需生长素和细胞分裂素，只是二者比例不同。

此兰花的花药离体培养所得植株为单倍体。

[答案] C
易错提醒 具有全能性≠实现全能性
(1)理论上每个活细胞都具有全能性。

(2)只有发育为完整个体才能说实现了细胞全能性，即实现全能性的终点是个体，而不是组织、器官等。

下列有关细胞全能性的叙述，正确的是( )
A ．植物体只有体细胞才具有发育成完整个体所必需的全套基因
B ．高度分化的植物细胞只有处于离体状态时才有可能表现出全能性
C ．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
D．紫色糯性玉米种子培育成植株，这反映植物种子具有全能性
解析：细胞具有全能性的原因是细胞具有发育成完整个体所必需的全套基因，而配子也具有这样的全套基因，同样具有全能性；植物体内细胞没有表现出全能性，这是细胞内基因在特定时间和空间条件下选择性表达的结果；种子发育成植株，是正常生命历程，不属于全能性；细胞全能性的表达前提是离体培养的细胞、组织或器官。

答案：B
[例2]
(1)过程①②是用________________________处理细胞的细胞壁，后经③过程诱导原生质体融合，实际融合的过程中原生质体可能会形成________________________种细胞团(只考虑两个细胞融合的情况)。

④是______________的过程，与此过程密切相关的细胞器主要是________________________。

(2)在⑤过程培养中，除了提供水分、无机盐、糖类、维生素以及氨基酸外，还需要在培养基中加入
____________________________________________________________________。

同时，在培养过程中，除必要的温度、光照和氧气等外界条件外，成功的另一个关键是操作过程中必须保证________。

(3)若番茄细胞内含A条染色体，马铃薯细胞内含B条染色体，将番茄和马铃薯采用杂交育种方法培育(假设能成功)，得到的后代应含________________________条染色体，还必须用________________________来处理幼苗，才能得到可育的“番茄—马铃薯”植株，此时体细胞中含有________条染色体。

(4)若番茄是二倍体，马铃薯是四倍体，则杂种植株为________倍体。

[思路点拨]
[精讲精析](1)分析题图可知，图中①②表示酶解法去除细胞壁的过程，此过程中所用的酶是纤维素酶和果胶酶。

③过程是人工诱导细胞融合的过程，如果只考虑两个细胞融合的
情况，则会有“番茄—番茄”细胞、“番茄—马铃薯”细胞、“马铃薯—马铃薯”细胞三种细胞团；④是融合后的原生质体重新生出细胞壁的过程，植物细胞中的高尔基体与细胞壁的形成关系密切。

(2)植物组织培养过程中除提供必需的营养物质外，还需要提供一定配比的激素和无菌的环境。

(3)由减数分裂和受精作用的知识可知，番茄和马铃薯如果杂交成功，则子代应包含(A ＋B)/2条染色体，由于这些染色体中无同源染色体，因此只有通过秋水仙素诱导等方法使染色体加倍才可育，此时体细胞中染色体数为(A＋B)条。

(4)二倍体番茄和四倍体马铃薯体细胞杂交得到的是异源六倍体。

[答案](1)纤维素酶、果胶酶3再生出细胞壁高尔基体
(2)激素无菌
(3)(A＋B)/2秋水仙素A＋B(4)六
归纳拓展
(1)杂种植株染色体组数的判断：
植物体细胞杂交得到的杂种植株是异源多倍体，其染色体组数为两种杂交细胞染色体组数的和。

(2)杂交细胞需要筛选：
植物体细胞杂交过程中，细胞之间的融合是随机的，会产生很多种类型的融合细胞，因此，要得到所需要的杂交细胞，需要进一步的筛选。

[随堂基础巩固]
1．有关全能性的叙述，不．正确的是()
A．受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体，因此全能性最高
B．生物体内细胞由于分化，全能性不能表达
C．卵细胞与受精卵一样，细胞未分化，全能性很高
D．植物细胞在一定条件下离体培养能表现出全能性
解析：卵细胞是高度分化的细胞，并不是未分化的细胞。

答案：C
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，下列哪一项条件一般是不需要的()
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：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，因此一般
不需要光照。

答案：C
3．A种植物细胞(基因型为Aa)、B种植物细胞(基因型为Bb)去掉细胞壁后，诱导两种细胞的原生质体融合，形成单核的杂种细胞。

则经过组织培养得到的杂种植株是() A．二倍体，基因型为AaBb
B．二倍体，基因型为AAaaBBbb
C．四倍体，基因型为AaBb
D．四倍体，基因型为AAaaBBbb
解析：杂种植株为四倍体，基因型为AaBb。

答案：C
4．下图表示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)此过程需要无菌操作，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，这是基因________的结果。

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，培养基含有供细胞生长发育所需要的无机物和小分子有机物，还有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，原因是叶片中叶绿素的合成需要光照条件。

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)选择性表达
[课时跟踪训练]
(满分50分时间25分钟)
一、选择题(每小题2分，共20分)
1．下列植物组织细胞，在条件适宜的情况下，最能表达其全能性的是()
A．茎韧皮部细胞 B．叶肉细胞
C．受精卵D．根尖分生区细胞
解析：受精卵的全能性最高，全能性最容易表达。

答案：C
2．生物体内细胞没有表现出全能性，而是分化为不同的组织、器官，这是因为() A．细胞丧失了全能性
B．基因的选择性表达
C．不同的细胞内基因不完全相同
D．在个体发育的不同时期，细胞内的基因发生了变化
解析：生物体内的细胞表现不出全能性，是因为发生了基因的选择性表达而分化为不同的组织和器官。

答案：B
3．植物体细胞杂交尚未解决的问题有()
A．去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体
B．将杂种细胞培育成植株
C．让杂种植物按照人们的需要表现亲代的优良性状
D．尚未培育出属间杂种植物
解析：目前植物体细胞杂交产生的杂种植株并没有完全表现出人们所需要的性状。

答案：C
4．植物体细胞融合完成的标志是()
A．产生细胞壁B．细胞质发生融合
C．细胞核发生融合D．细胞膜发生融合
解析：植物体细胞融合的过程既有细胞膜、细胞质的融合，又有细胞核的融合。

植物细胞最外层为细胞壁，融合前应去掉细胞壁，融合完成的标志是再生出新的细胞壁。

答案：A
5．下列属于组织培养的是()
A．花粉培养成单倍体植株
B．植物的枝条插到土里发育成新的个体
C．根尖分生区发育成成熟区
D．未受精的卵发育成个体
解析：B项不是在无菌和人工控制条件下发育的，是在正常环境下，所以仍属自然发育过程。

C项是通过细胞的分化形成组织的过程。

D项中未受精的卵发育成个体在自然条件下也可发生，属于有性生殖中的孤雌生殖。

答案：A
6．用细胞工程技术将天竺葵与香茅草杂交产生了驱蚊香草，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．愈伤组织是一群已经分化的薄壁细胞
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：天竺葵与香茅草两种细胞经酶解法获得的原生质体融合后，在一定条件下可以脱分化形成愈伤组织，愈伤组织是一群未分化的薄壁细胞。

答案：B
7．植物组织培养依据的原理、培养过程的顺序及诱导的植物激素分别是()
①体细胞全能性②离体植物器官、组织或细胞
③根、芽④生长素和细胞分裂素⑤生长素和乙烯
⑥愈伤组织⑦再分化⑧脱分化⑨植物体
A．①、②⑦⑥⑧③⑨、④ B. ①、②⑧⑥⑦③⑨、④
C．①、⑥②⑨⑧③⑦、⑤ D. ①、②⑨⑧⑥⑦③、⑤
解析：植物组织培养的原理是细胞的全能性；培养过程的顺序是离体植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织，愈伤组织再分化得到根、芽，由根、芽分化成植物体；所用激素是生长素和细胞分裂素。

答案：B
8．基因型为Aa植株的花粉和基因型为Bb植株的花粉，除去细胞壁后，进行原生质体融合，可以得到多少种基因型不同的细胞(不考虑三个及三个以上的细胞融合)() A．6种B．8种
C．10种D．12种
解析：用于融合的花粉基因型为A、a和B、b，既可自身融合，又可两两相互融合。

答案：C
9．以下为植物体细胞杂交技术流程图，其中甲和乙分别表示两种二倍体植物细胞，所含有的染色体组分别是AA和BB。

据图分析不．正确的是()
A．图中①过程发生的化学变化是纤维素和果胶水解
B．经过②和③过程形成的c细胞只有AABB这一种类型
C．过程②一般使用聚乙二醇作为诱导剂
D．过程④和⑤分别是脱分化和再分化
解析：将若干a和b等量混合后转移到培养基上培养，经过细胞融合，c的细胞类型包括没有融合的细胞、相同细胞的融合和不同细胞的融合，即AA、BB、AAAA、BBBB、AABB。

答案：B
10．利用植物体细胞杂交技术将白菜和甘蓝(均为二倍体)培育成“白菜—甘蓝”杂种植株(如图所示)，下列说法正确的是()
A．图示“白菜—甘蓝”植株不能结子
B．植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种细胞
C．上述过程中包含着有丝分裂、细胞分化和减数分裂等过程
D．“白菜—甘蓝”杂种植株所具有的性状是基因选择性表达的结果
解析：“白菜—甘蓝”属于异源四倍体，有同源染色体，是可育的，能结子；植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种植株；上述过程包括去壁、原生质体融合、植物组织培养等过程，其结果是形成“白菜—甘蓝”幼苗，并未发育到性成熟个体，因此整个过程中没有减数分裂过程；任何性状都是基因选择性表达的结果。

答案：D
二、非选择题(共30分)
11．(11分)请完成下列问题：
(1)植物微型繁殖技术属于植物组织培养的范畴。

该技术可以保持品种的________，繁殖种苗的速度________。

离体的叶肉细胞在适宜的条件下培养，最终能够形成完整的植株，说明该叶肉细胞具有该植物的全部________。

(2)把试管苗转接到新的培养基上时，需要在超净工作台上进行，其原因是避免________的污染。

(3)微型繁殖过程中，适宜浓度的生长素单独使用可诱导试管苗________，而与________配比适宜时可促进芽的增殖。

若要抑制试管苗的生长，促使愈伤组织产生和生长，需要使用
的生长调节剂是__________(填“脱落酸”或“2,4-D”)。

(4)将某植物试管苗培养在含不同浓度蔗糖的培养基上一段时间后，单株鲜重和光合作用强度的变化如图。

据图分析，随着培养基中蔗糖浓度的增加，光合作用强度的变化趋势是________，单株鲜重的变化趋势是________。

据图判断，培养基中不含蔗糖时，试管苗光合作用产生的有机物的量________(填“能”或“不能”)满足自身最佳生长的需要。

(5)据图推测，若要在诱导试管苗生根的过程中提高其光合作用能力，应________(填“降低”或“增加”)培养基中蔗糖浓度，以便提高试管苗的自养能力。

解析：(1)叶肉细胞具有全能性，具有该植物的全部遗传信息，可经组织培养成为完整个体。

(2)在组织培养全过程及将试管苗转接到新培养基上时，要无菌操作，防止微生物污染。

(3)在微型繁殖中，不同阶段要使用不同的激素。

生长素可诱导生根，与细胞分裂素混合使用，在一定配比下可促进生芽。

2,4-D可促进愈伤组织生长。

(4)从题图看出，随蔗糖浓度增大，光合作用强度在下降，而单株鲜重是先增后降。

培养基中不含蔗糖时，试管苗制造的有机物不能满足自身需要。

(5)要提高试管苗光合作用能力，应适当降低蔗糖浓度。

答案：(1)遗传特性快遗传信息
(2)微生物(3)生根细胞分裂素2,4-D
(4)逐渐减小先增加后下降不能(5)降低
12．(8分)回答下列有关植物组织培养的问题。

(1)用于植物组织培养的植物材料称为________。

(2)组织培养中的细胞，从分化状态转变为未分化状态的过程称为________。

(3)在再分化阶段所用培养基中，含有植物激素X和植物激素Y。

逐渐改变培养基中这两种植物激素的浓度比，未分化细胞群的变化情况如下图所示。

据图指出两种激素的不同浓度比与形成芽、根、愈伤组织的关系：
①当植物激素X与植物激素Y的浓度比等于1时，
________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
③________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。

(4)若植物激素Y是生长素，在植物组织培养中其主要作用是_______________________ _____________________________________________；则植物激素X的名称是____________。

(5)生产上用试管苗保存植物的优良性状，其原因是_______________________________
________________________________________________________________________。

解析：(1)植物组织培养的材料叫外植体。

(2)植物组织培养的核心过程是脱分化与再分化，脱分化指细胞由分化状态变为未分化状态的过程，再分化指细胞由未分化状态变为分化状态的过程。

(3)仔细分析所给示意图可知，植物激素X与植物激素Y的浓度比为1时，有利于愈伤组织的形成；大于1时，有利于细胞群分化出芽；小于1时，有利于细胞群分化出根。

(4)生长素在植物组织培养中的主要作用是促进细胞生长、分裂和分化，植物组织培养过程中除需要生长素外还需要细胞分裂素，二者共同起作用。

(5)植物组织培养是一种无性繁殖技术，有利于保持亲本的优良性状。

答案：(1)外植体(2)脱分化(3)①未分化细胞群经分裂形成愈伤组织②当植物激素X与植物激素Y的浓度比大于1时，未分化细胞群分化形成芽③当植物激素X与植物激素Y的浓度比小于1时，未分化细胞群分化形成根(4)促进细胞的生长(伸长)、分裂和分化细胞分裂素(5)组织培养形成试管苗的过程属于无性生殖，后代不发生性状分离13．(11分)通过细胞工程技术，利用甲、乙两种植物的各自优势(甲耐盐、乙高产)，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：
(1)A是________________酶，B是______________，D是具有________优良性状的幼芽。

D长成的幼苗需要选择的原因是_______________________________________________。

(2)由C形成植株的过程利用了________技术，形成愈伤组织需要经过________过程，愈伤组织形成D需要经过________过程。

整个培养过程要在________条件下进行。

(3)植物体细胞融合成功的标志是_____________________________________________。

目前植物体细胞杂交还存在许多问题没有解决，如____________________________，尽管如此，这项新技术在__________________________等方面取得的重大突破还是震撼人心的。

解析：图中A是用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，B是融合的原生质体，C是杂种细胞，D是具有耐盐性状的杂种植株。

答案：(1)纤维素酶和果胶融合的原生质体耐盐有耐盐高产和耐盐不高产两种
(2)植物组织培养脱分化再分化无菌
(3)再生出新的细胞壁不能按照人的意愿表
达两个亲本的性状克服远缘杂交不亲和的障碍。