2023版高三一輪總復(fù)習(xí)生物（浙科版）教案：選擇性必修3 第9單元 第31講植物細胞工程

第31講植物細胞工程植物的克隆b一、通過植物組織培養(yǎng)可獲得完整植株1．植物細胞的全能性使離體組織發(fā)育成完整植株成為可能(1)植物組織培養(yǎng)：指在無菌和人工控制條件下，將離體的植物體器官、組織或細胞等培養(yǎng)在人工配制的培養(yǎng)基上，使其生成完整植株或使其細胞增殖并產(chǎn)生細胞代謝產(chǎn)物的技術(shù)。(2)外植體：用于培養(yǎng)的植物的離體器官、組織等稱為外植體。(3)植物細胞的全能性：指已分化的細胞中遺傳物質(zhì)一般不發(fā)生改變，植物體的每個生活細胞都具有該植物所包含的全部的遺傳信息，因而具有發(fā)育成完整植株的潛能。(4)植物組織培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)：外植體因脫離了母體的影響，一定條件下能實現(xiàn)其全能性。(5)離體培養(yǎng)條件下，植物細胞全能性的表達是通過細胞的脫分化和再分化實現(xiàn)的。①脫分化：指離體條件下已分化的細胞經(jīng)過誘導(dǎo)，失去特有的結(jié)構(gòu)和功能，重新獲得分裂能力。②愈傷組織：指脫分化的細胞不斷分裂增殖，產(chǎn)生無組織結(jié)構(gòu)、松散的薄壁細胞團。③再分化：指愈傷組織細胞在一定條件下，可重新分化為各種類型的細胞，進而形成芽或根等，再生出新的植株的過程。(6)愈傷組織再分化為完整植株的途徑：①器官發(fā)生途徑；②體細胞胚發(fā)生途徑。2．離體植物器官、組織和細胞在適宜條件下方可發(fā)育成完整的植株(1)植物組織培養(yǎng)是在嚴(yán)格的無菌條件下進行的。(2)培養(yǎng)基能為離體植物材料提供適宜的營養(yǎng)條件。(3)植物組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基中通常含有水、無機鹽、有機營養(yǎng)成分、瓊脂、植物激素等物質(zhì)。①無機鹽為植物提供必需的礦質(zhì)元素。②有機營養(yǎng)成分中含有糖類、氨基酸、維生素等物質(zhì)。a．糖類既可作為碳源和能源物質(zhì)，又參與維持培養(yǎng)基的滲透壓。b．維生素往往以輔酶的形式參與細胞的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖代謝等重要活動。③植物激素調(diào)控細胞的脫分化和再分化過程。a．植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)包括天然植物激素和人工合成的激素類似物。b．植物生長素類和細胞分裂素類物質(zhì)是植物組織培養(yǎng)不可缺少的兩類調(diào)節(jié)物質(zhì)，兩者的濃度和配比在脫分化和再分化中起著關(guān)鍵作用。c．生長素類和細胞分裂素類物質(zhì)的比值大時，有利于根的形成；比值小時，則促進芽的形成。3．植物組織培養(yǎng)通過多種途徑有效地提高生產(chǎn)效率(1)組織培養(yǎng)技術(shù)可快速繁殖植物①根據(jù)培養(yǎng)過程，植物組織培養(yǎng)可分為初代培養(yǎng)和繼代培養(yǎng)。a．初代培養(yǎng)：指從植物體上分離下來的外植體的第一次培養(yǎng)。b．繼代培養(yǎng)：將初代培養(yǎng)獲得的培養(yǎng)物轉(zhuǎn)移到新的培養(yǎng)基上繼續(xù)進行擴大培養(yǎng)。②離體繁殖主要以營養(yǎng)器官為外植體，再生個體的遺傳性與母體一致，因此快速繁殖的過程就是植物克隆的過程。組織培養(yǎng)再生的個體被稱為克隆植物，可以很好地保持品種的優(yōu)良性狀。(2)組織培養(yǎng)技術(shù)可用于植物脫毒①選材部位：植物生長點附近(莖尖、芽尖等)。②操作過程：利用組織培養(yǎng)方法，取一定大小的莖尖進行培養(yǎng)，再生的植株有可能不帶病毒，從而獲得脫病毒苗，再用脫病毒苗進行繁殖。③優(yōu)點：種植的作物不會或極少發(fā)生病毒。(3)組織培養(yǎng)技術(shù)可用于生產(chǎn)人工種子①人工種子：是將植物離體培養(yǎng)產(chǎn)生的體細胞胚、芽、愈傷組織等包埋在含有營養(yǎng)成分和保護功能的物質(zhì)中而制成的。在條件適宜時，它同普通種子一樣可以發(fā)芽成苗。②人工種子通常包括體細胞胚、人工胚乳和人工種皮三部分。③優(yōu)點：a．生產(chǎn)過程不受季節(jié)限制；b．可以大量、快速繁殖優(yōu)良品種。(4)組織培養(yǎng)技術(shù)可用于細胞代謝產(chǎn)物的工業(yè)化生產(chǎn)(5)組織培養(yǎng)技術(shù)可用于作物新品種的培育①細胞突變體的篩選a．產(chǎn)生原因：在組織培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)物的細胞處于不斷分裂狀態(tài)，易受培養(yǎng)條件和外界壓力(如射線和化學(xué)物質(zhì)等)的影響而發(fā)生變異。b．優(yōu)點：在細胞和原生質(zhì)體培養(yǎng)時進行人工誘變，誘變頻率大于個體或器官水平，而且在較小的空間內(nèi)一次可處理大量材料。②單倍體育種a．過程：花藥離體培養(yǎng)→單倍體植株eq\o(→,\s\up8(染色體加倍),\s\do6())純合子植株。b．優(yōu)點：后代是純合子，能穩(wěn)定遺傳；明顯縮短了育種的周期。③離體的器官、組織、細胞、原生質(zhì)體常作為外源基因的受體。4．活動：菊花的組織培養(yǎng)及幼苗的移栽(1)實驗原理通過調(diào)節(jié)激素的比例可控制菊花外植體的生長發(fā)育。(2)方法步驟菊花外植體的接種與培養(yǎng)→菊花試管苗的生根培養(yǎng)→菊花試管苗的移栽。二、通過體細胞雜交可獲得新的植物1．成功培養(yǎng)原生質(zhì)體是植物體細胞雜交技術(shù)的基礎(chǔ)(1)植物體細胞雜交：將兩個來自不同種植物的體細胞融合成一個雜種細胞，并將雜種細胞培育成新的植物體的技術(shù)。(2)獲得原生質(zhì)體的具體方法是：在0.5～0.6mol/L的甘露醇(或一定濃度的蔗糖)溶液環(huán)境(較高滲透壓)下，用纖維素酶和果膠酶混合液處理根尖、葉片、愈傷組織或懸浮培養(yǎng)細胞，消化除去細胞壁，獲得球形的原生質(zhì)體。2．由雜種細胞培育出的新植物體可能會具有新的特性(1)植物體細胞雜交過程①獲得原生質(zhì)體的方法：酶解法。②誘導(dǎo)原生質(zhì)體融合的技術(shù)手段：電刺激、離心、振蕩、聚乙二醇等。③形成雜種細胞：去除水解酶、培養(yǎng)融合的原生質(zhì)體、再生出新的細胞壁。④獲得完整植株：雜種細胞經(jīng)過培養(yǎng)進一步分裂、分化，進而發(fā)育成完整的植株。(2)雜種植株的鑒定和選育原因①同一體系中再生的植株并非均為體細胞雜種植株。②即使得到了雜種細胞，培養(yǎng)過程中也可能出現(xiàn)染色體的丟失、結(jié)構(gòu)異常等情況。(3)意義：克服遠緣雜交的不親和性，獲得新品種。(4)應(yīng)用：該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種植物的育種研究。(5)成果：獲得了許多具有優(yōu)良性狀的新的植物種質(zhì)資源。考點1植物組織培養(yǎng)與實踐應(yīng)用1．植物組織培養(yǎng)的原理——植物細胞的全能性(1)概念：具有某種植物全部遺傳信息的任何一個細胞，都具有發(fā)育成完整植株的潛能。(2)原理：細胞內(nèi)含有本物種的全套遺傳信息。(3)全能性表達條件：具有完整的細胞結(jié)構(gòu)，處于離體狀態(tài)，提供一定的營養(yǎng)、激素和其他適宜外界條件等。(4)一般來說，細胞全能性大小與細胞分化程度呈反比。(5)全能性大?。孩僦参锛毎菏芫?gt;生殖細胞>體細胞②動物細胞：受精卵>生殖細胞>體細胞核(動物細胞全能性受限制，但細胞核具有全能性)2．植物組織培養(yǎng)的過程(1)培養(yǎng)對象：離體的植物器官、組織或細胞。(2)培養(yǎng)條件：無菌、人工配制的培養(yǎng)基、相關(guān)激素等。(3)培養(yǎng)結(jié)果：產(chǎn)生愈傷組織、叢芽(或叢根、胚狀體)，最終形成完整植株。(4)植物激素在植物組織培養(yǎng)中的作用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(guān)鍵性激素，其作用及特點為：①在生長素存在的情況下，細胞分裂素的作用呈現(xiàn)加強的趨勢。②使用順序不同，結(jié)果不同，具體如表：使用順序?qū)嶒灲Y(jié)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用量比例不同，結(jié)果也不同eq\f(生長素用量,細胞分裂素用量)的值eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(高：利于根的分化、抑制芽的形成,低：利于芽的分化、抑制根的形成,適中：促進愈傷組織的形成))3．植物組織培養(yǎng)技術(shù)的實踐應(yīng)用(1)植物繁殖的新途徑①離體繁殖：優(yōu)點是繁殖快，并可保持親本的優(yōu)良性狀。②作物脫毒：利用莖尖組織培養(yǎng)技術(shù)獲得脫毒苗。③人工種子：將植物離體培養(yǎng)產(chǎn)生的體細胞胚、芽、愈傷組織等包埋在含有營養(yǎng)成分和保護功能的物質(zhì)中制成的種子。(2)作物新品種的培育：單倍體育種和突變體的利用。舉例如下。優(yōu)點：穩(wěn)定遺傳，縮短育種年限。1．有關(guān)植物組織培養(yǎng)，下列說法不正確的是()A．脫分化的過程應(yīng)該用固體培養(yǎng)基，并對外植體進行消毒處理B．植物激素的濃度、使用的先后順序和比例都會影響組織培養(yǎng)的結(jié)果C．該技術(shù)可以進行快速繁殖，并可以使作物不帶病毒，獲得脫毒苗D．培養(yǎng)到愈傷組織階段經(jīng)過人工薄膜包裝并加入營養(yǎng)物質(zhì)等可得到人工種子D[脫分化的過程應(yīng)該用固體培養(yǎng)基，對外植體要進行嚴(yán)格的消毒處理，A正確；植物激素的濃度、使用的先后順序及用量的比例，都會影響脫分化和再分化，進而影響組織培養(yǎng)的結(jié)果，B正確；植物組織培養(yǎng)技術(shù)可以高效快速地實現(xiàn)種苗的大量繁殖，還能獲得脫毒苗，C正確；人工種子是將植物離體培養(yǎng)產(chǎn)生的體細胞胚、芽、愈傷組織等包埋在含有營養(yǎng)成分和保護功能的物質(zhì)中而制成的種子，D錯誤。]2．下列關(guān)于植物細胞工程實際應(yīng)用的敘述不正確的是()A．離體繁殖技術(shù)的原理是植物細胞的全能性B．利用莖尖組織培育的幼苗不一定全是脫毒幼苗C．利用人工種子繁殖優(yōu)良品種不會出現(xiàn)性狀分離D．未脫毒馬鈴薯的產(chǎn)量與脫毒馬鈴薯的產(chǎn)量相同D[植物離體繁殖技術(shù)是指用于快速繁殖優(yōu)良品種的植物組織培養(yǎng)技術(shù)，其原理是植物細胞的全能性，A正確；利用莖尖組織培育的幼苗不一定全是脫毒幼苗，也可能是減毒幼苗，B正確；人工種子是利用植物組織培養(yǎng)得到的，則利用該人工種子繁殖優(yōu)良品種屬于無性生殖，所以不會出現(xiàn)性狀分離，C正確；一般來說，未脫毒馬鈴薯的產(chǎn)量比脫毒馬鈴薯的產(chǎn)量低，D錯誤。]3．培養(yǎng)胡蘿卜根組織可獲得試管苗，獲得試管苗的過程如圖所示?；卮鹣铝袉栴}。(1)利用胡蘿卜根段進行組織培養(yǎng)可以形成試管苗。用分化的植物細胞可以培養(yǎng)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(yǎng)基，其原因是___________________________________________________________________________。在新的培養(yǎng)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(yǎng)，其作用是________________________________________________________________________________________________。(5)經(jīng)組織培養(yǎng)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，利用已分化的植物細胞通過植物組織培養(yǎng)可以培養(yǎng)成完整植株。(2)形成層細胞分化程度低，全能性較高，更容易誘導(dǎo)形成愈傷組織，進而獲得完整植株。(3)愈傷組織的形成和試管苗的分化需要不同的生長素與細胞分裂素比例，因此誘導(dǎo)愈傷組織的形成階段到分化階段需要不同的培養(yǎng)基。愈傷組織通過再分化過程，最終可形成試管苗。(4)葉綠素的形成需要光，試管苗的發(fā)育也需要光，因此試管苗的誘導(dǎo)階段需要光照。(5)通過植物組織培養(yǎng)獲得植株的方式是無性繁殖的一種，可以保持原品種的遺傳特性。[答案](1)全能性(或形成完整植株所需的全部基因)(2)形成層容易誘導(dǎo)形成愈傷組織(3)誘導(dǎo)愈傷組織形成和誘導(dǎo)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(或再分化)(4)誘導(dǎo)葉綠素的形成，使試管苗能夠進行光合作用(5)遺傳特性無性考點2植物體細胞雜交技術(shù)1．植物體細胞雜交(1)原理：體細胞雜交利用了細胞膜的流動性，雜種細胞培育成雜種植株利用了植物細胞的全能性。(2)操作流程(3)意義：克服不同種生物遠緣雜交的不親和性。2．植物體細胞雜交與植物有性雜交中遺傳物質(zhì)的變化設(shè)白菜細胞含2x條染色體，2個染色體組；甘藍細胞含2y條染色體，2個染色體組。項目不同物種體細胞雜交不同物種有性雜交同一物種雜交過程子代染色體數(shù)目2x＋2yx＋y2x(白菜)或2y(甘藍)子代染色體組數(shù)422子代是幾倍體異源四倍體異源二倍體同源二倍體子代是否可育可育不可育可育1．兩種遠緣植物的細胞融合后會導(dǎo)致一方的染色體被排出。若其中一個細胞的染色體在融合前由于某種原因斷裂，形成的染色體片段在細胞融合后可能不會被全部排出，未排出的染色體片段可以整合到另一個細胞的染色體上而留存在雜種細胞中。依據(jù)該原理，將普通小麥與耐鹽性強的中間偃麥草進行體細胞雜交獲得了耐鹽小麥新品種，過程如圖所示，下列說法錯誤的是()A．過程①需使用纖維素酶和果膠酶處理細胞B．過程②的目的是使中間偃麥草的染色體斷裂C．過程③中常用滅活的病毒誘導(dǎo)原生質(zhì)體融合D．耐鹽小麥的染色體上整合了中間偃麥草的染色體片段C[植物細胞壁的主要成分是纖維素和果膠，過程①需用纖維素酶和果膠酶除去細胞壁獲得原生質(zhì)體，A正確；紫外線屬于誘發(fā)變異的物理因素，紫外線照射的目的是使中間偃麥草的染色體斷裂，B正確；過程③為誘導(dǎo)植物原生質(zhì)體融合，常用物理法和化學(xué)法處理，不用滅活的病毒誘導(dǎo)，C錯誤；普通小麥沒有耐鹽基因，耐鹽小麥的形成是將來自中間偃麥草的含有耐鹽基因的染色體片段整合到普通小麥染色體上的結(jié)果，D正確。]2．科學(xué)家利用植物體細胞雜交技術(shù)成功獲得了“番茄—馬鈴薯”雜種植株，為了便于雜種細胞的篩選和鑒定，科學(xué)家利用紅色熒光和綠色熒光分別標(biāo)記番茄和馬鈴薯的原生質(zhì)體膜上的蛋白質(zhì)，其培育過程如圖所示，請據(jù)圖回答下列問題。(1)過程①常用的酶是________________，細胞融合完成的標(biāo)志是___________________________________________________________________。(2)植物體細胞雜交依據(jù)的生物學(xué)原理有__________________________________________________________________________________________________。(3)植物原生質(zhì)體融合過程常利用化學(xué)試劑________誘導(dǎo)融合，在鑒定雜種原生質(zhì)體時可用顯微鏡觀察，根據(jù)細胞膜表面熒光的不同可觀察到________種不同的原生質(zhì)體(只考慮細胞兩兩融合的情況)，當(dāng)觀察到_____________________時可判斷該原生質(zhì)體是由番茄和馬鈴薯原生質(zhì)體融合而成的。(4)過程④中的培養(yǎng)基常添加的植物激素是__________________________。(5)若番茄細胞核內(nèi)有m條染色體，馬鈴薯細胞核內(nèi)有n條染色體，則“番茄—馬鈴薯”細胞在有絲分裂后期含_______________________條染色體。[解析](1)分析題圖可知，過程①是酶解法獲取原生質(zhì)體，常用的酶是纖維素酶和果膠酶，細胞融合完成的標(biāo)志是雜種細胞再生出新的細胞壁。(2)植物體細胞雜交依據(jù)的生物學(xué)原理有細胞膜的流動性、植物細胞的全能性。(3)植物原生質(zhì)體融合過程常利用化學(xué)試劑聚乙二醇(或PEG)誘導(dǎo)融合；在鑒定雜種原生質(zhì)體時可用顯微鏡觀察，根據(jù)細胞膜表面熒光的不同可觀察到3種不同的原生質(zhì)體(只考慮細胞兩兩融合的情況)，即番茄原生質(zhì)體自身融合、馬鈴薯原生質(zhì)體自身融合、番茄和馬鈴薯原生質(zhì)體相互融合；根據(jù)題意，紅色熒光和綠色熒光分別標(biāo)記番茄和馬鈴薯的原生質(zhì)體膜上的蛋白質(zhì)，因此當(dāng)觀察到融合的細胞表面既有紅色熒光又有綠色熒光時，可判斷該原生質(zhì)體是由番茄和馬鈴薯融合而成的。(4)題圖中過程④是再分化，其培養(yǎng)基常添加的植物激素是生長素和細胞分裂素。(5)植物原生質(zhì)體融合過程中，融合后形成的細胞核內(nèi)染色體數(shù)目等于融合前的兩細胞核內(nèi)染色體數(shù)之和，若番茄細胞核內(nèi)有m條染色體，馬鈴薯細胞核內(nèi)有n條染色體，則“番茄—馬鈴薯”細胞核中的染色體數(shù)為m＋n，在有絲分裂后期由于著絲點分裂導(dǎo)致染色體數(shù)目加倍，因此有絲分裂后期細胞內(nèi)含2(m＋n)條染色體。[答案](1)纖維素酶和果膠酶雜種細胞再生出新的細胞壁(2)細胞膜的流動性、植物細胞的全能性(3)聚乙二醇(或PEG)3融合的細胞表面既有紅色熒光又有綠色熒光(4)生長素和細胞分裂素(5)2(m＋n)1．(2019·江蘇高考)為探究矮牽牛原生質(zhì)體的培養(yǎng)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(zhì)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(dǎo)細胞壁再生D．原生質(zhì)體雖無細胞壁但仍保持細胞的全能性D[過程①將植物細胞的細胞壁去除后獲得原生質(zhì)體，若將其懸浮在30%蔗糖溶液中，原生質(zhì)體會因溶液濃度過高而失水皺縮，A錯誤；過程②需提高細胞分裂素的比例以促進芽的分化，若提高生長素的比例，則會促進根的分化，而使芽的分化受到抑制，B錯誤；秋水仙素具有誘導(dǎo)細胞染色體數(shù)目加倍的作用，沒有誘導(dǎo)細胞壁再生的作用，C錯誤；細胞的全能性依賴于細胞內(nèi)遺傳物質(zhì)的完整性，原生質(zhì)體雖無細胞壁但其遺傳物質(zhì)是完整的，因此原生質(zhì)體能保持細胞的全能性，D正確。]2．(2018·江蘇高考)花藥離體培養(yǎng)是重要的育種手段。如圖是某二倍體植物花藥育種過程的示意圖，下列敘述正確的是()A．為了防止微生物污染，過程①所用的花藥需在75%乙醇中浸泡30minB．過程②的培養(yǎng)基中需添加較高濃度的細胞分裂素以利于根的分化C．過程③逐步分化的植株中可篩選獲得純合的二倍體D．過程④應(yīng)將煉苗后的植株移栽到含有蔗糖和多種植物激素的基質(zhì)上C[為了防止微生物污染，過程①所用的花藥需在75%乙醇中浸泡約30s，A錯誤；過程②的培養(yǎng)基中生長素與細胞分裂素的比值適中，且生長素含量高于細胞分裂素時，有利于根的分化，B錯誤；進行過程③的愈傷組織經(jīng)過了秋水仙素的處理，故其分化后的植株中可篩選獲得純合的二倍體，C正確；經(jīng)煉苗后的幼苗是能進行光合作用且能獨立進行代謝的植株，故幼苗的生長基質(zhì)中不用添加蔗糖和多種植物激素，D錯誤。]3．(2020·北京等級考)研究者以擬南芥根段作為組織培養(yǎng)材料，探討了激素誘導(dǎo)愈傷組織分化生芽的機制。(1)離體的擬南芥根段在適宜條件下可以培育出完整的植株，說明植物細胞具有________。在組織培養(yǎng)過程中，根段細胞經(jīng)過________形成愈傷組織，此后調(diào)整培養(yǎng)基中細胞分裂素(CTK)與生長素的比例可誘導(dǎo)愈傷組織分化。(2)在愈傷組織生芽過程中，CTK通過ARRs(A)基因和WUS(W)基因起作用。為探討A基因與W基因的關(guān)系，將A基因功能缺失突變體(突變體a)和野生型的愈傷組織分別置于CTK與生長素比例高的(高CTK)培養(yǎng)基中誘導(dǎo)生芽，在此過程中測定W基因的表達量。圖1中，野生型的W基因表達量與高CTK誘導(dǎo)時間的關(guān)系是_____________