高中生物人教版現(xiàn)代生物科技專題專題2細(xì)胞工程植物細(xì)胞的工程 專題

2．1植物細(xì)胞工程2．植物細(xì)胞工程的基本技術(shù)1．了解細(xì)胞工程的含義。2．理解植物細(xì)胞的全能性。(重點)3．掌握植物組織培養(yǎng)技術(shù)的過程及用途。(重點)4．理解植物體細(xì)胞雜交技術(shù)的過程。(重點)細(xì)胞工程和細(xì)胞的全能性(一)細(xì)胞工程的概念與分類1．概念(1)原理和方法：細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)。(2)操作水平：細(xì)胞水平或細(xì)胞器水平。(3)目的：按照人們的意愿來改變細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)或獲得細(xì)胞產(chǎn)品。2．種類根據(jù)操作對象不同，可分為植物細(xì)胞工程和動物細(xì)胞工程。(二)植物細(xì)胞的全能性1．概念：具有某種生物全部遺傳信息的任何一個細(xì)胞，都具有發(fā)育成完整生物體的潛能，也就是說，每個生物細(xì)胞都具有全能性的特點。2．現(xiàn)實表現(xiàn)：在生物的生長發(fā)育過程中，細(xì)胞并不會表現(xiàn)出全能性，而是分化成各種組織和器官。3．影響細(xì)胞全能性表現(xiàn)的原因：在特定的時間和空間條件下，細(xì)胞中的基因會有選擇性地表達出各種蛋白質(zhì)，分化形成不同的細(xì)胞，從而構(gòu)成生物體的不同組織和器官。4．表達時兩個重要的過程：(1)脫分化：讓已經(jīng)分化的細(xì)胞，經(jīng)過誘導(dǎo)后，失去其特有的結(jié)構(gòu)和功能而轉(zhuǎn)變成未分化細(xì)胞的過程。(2)再分化：脫分化產(chǎn)生的愈傷組織在一定的培養(yǎng)條件下，再分化出幼根和芽，形成完整的小植株。eq\a\vs4\al([合作探討])探討eq\a\vs4\al(1)：請比較基因工程和細(xì)胞工程的概念，總結(jié)二者的不同。提示：(1)操作水平：基因工程是分子水平的操作，細(xì)胞工程是細(xì)胞水平或細(xì)胞器水平的操作。(2)目的：基因工程的目的是創(chuàng)造出符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品，細(xì)胞工程的目的是按照人的意愿來改變細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)或獲得細(xì)胞產(chǎn)品。探討eq\a\vs4\al(2)：理論上每種活細(xì)胞都具有全能性，請分析細(xì)胞具有全能性的原因。提示：活細(xì)胞都具有發(fā)育成該物種個體所需的全套遺傳物質(zhì)。探討eq\a\vs4\al(3)：植物的種子發(fā)育成完整植株，是否體現(xiàn)了細(xì)胞的全能性？為什么？提示：沒有。因為細(xì)胞的全能性是指已分化的細(xì)胞仍具有發(fā)育成完整個體的潛能，而種子中的胚已完成了早期發(fā)育，相當(dāng)于新植物體的幼體，沒有體現(xiàn)細(xì)胞發(fā)育成完整植物體的能力。eq\a\vs4\al([思維升華])1．細(xì)胞的全能性(1)具有全能性的原因：一般生物體的每一個細(xì)胞都包含有該物種所特有的全套遺傳物質(zhì)，都有發(fā)育成為完整個體所必需的全部基因。(2)不同細(xì)胞全能性的大小。①體細(xì)胞全能性：分化程度低的>分化程度高的，細(xì)胞分裂能力強的>細(xì)胞分裂能力弱的。②不同細(xì)胞的全能性：受精卵>胚胎干細(xì)胞>生殖細(xì)胞>體細(xì)胞。③不同生物的細(xì)胞全能性：植物細(xì)胞>動物細(xì)胞。(3)全能性與細(xì)胞分化的關(guān)系：隨著細(xì)胞分化程度的不斷提高，細(xì)胞的全能性逐漸降低。2．植物細(xì)胞全能性表達所需條件(1)體細(xì)胞未表現(xiàn)全能性的原因：基因的選擇性表達。(2)體現(xiàn)細(xì)胞全能性的條件：材料離體的細(xì)胞、組織或器官培養(yǎng)基種類齊全、比例合適的營養(yǎng)物質(zhì)及一定的植物激素外界條件①無菌操作②光照：愈傷組織培養(yǎng)最初避光培養(yǎng)，后期見光培養(yǎng)(1)細(xì)胞表達全能性的標(biāo)志是發(fā)育成完整個體而不是形成某種組織或者器官。(2)細(xì)胞具有全能性是因為細(xì)胞中具有發(fā)育成完整個體所必需的“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．以下不能說明細(xì)胞全能性的實驗是()【導(dǎo)學(xué)號：72240017】A．玉米花粉粒培育出植株B．轉(zhuǎn)入貯存蛋白基因的向日葵細(xì)胞培育出植株C．燒傷病人的健康細(xì)胞培養(yǎng)出皮膚D．胡蘿卜的形成層組織培育成胡蘿卜幼苗【解析】細(xì)胞的全能性是指具有某種生物全套遺傳信息的任何一個細(xì)胞，都具有發(fā)育成完整生物體的潛能。玉米花粉粒培育出植株、向日葵細(xì)胞培育出植株、胡蘿卜的形成層組織培育成胡蘿卜幼苗都是全能性的體現(xiàn)，只有C選項沒有得到完整個體，不能體現(xiàn)細(xì)胞的全能性?！敬鸢浮緾2．下列有關(guān)植物細(xì)胞全能性的敘述中，正確的是()A．植物體只有高度分化的體細(xì)胞才具有發(fā)育成完整個體的潛能B．植物體內(nèi)某些體細(xì)胞沒有表現(xiàn)出全能性，其原因是所含基因不同C．植物細(xì)胞的全能性是植物體細(xì)胞雜交技術(shù)的理論基礎(chǔ)D．植物細(xì)胞脫分化過程體現(xiàn)了植物細(xì)胞的全能性【解析】植物細(xì)胞的全能性是指高度分化的植物細(xì)胞仍然具有發(fā)育成完整植物體的潛能，實際上只要植物細(xì)胞含有本物種生長發(fā)育的全套基因就應(yīng)具有全能性，如配子；植物體內(nèi)所有體細(xì)胞均來源于同一受精卵的有絲分裂，遺傳物質(zhì)應(yīng)相同；植物體細(xì)胞雜交技術(shù)的理論基礎(chǔ)是植物細(xì)胞的全能性；植物細(xì)胞脫分化過程并沒有發(fā)育到完整的植株，不能體現(xiàn)植物細(xì)胞的全能性?！敬鸢浮緾植物組織培養(yǎng)技術(shù)1．原理：植物細(xì)胞的全能性。2．過程：離體的植物器官、組織、細(xì)胞eq\o(→,\s\up17(一定的營養(yǎng)、激素))愈傷組織eq\o(→,\s\up17(含有不同激素成分的培養(yǎng)基),\s\do15(再分化))胚狀體或叢芽→試管苗。3．脫分化：已分化的細(xì)胞經(jīng)過誘導(dǎo)后，失去其特有的結(jié)構(gòu)和功能而轉(zhuǎn)變成未分化細(xì)胞的過程。4．植物組織培養(yǎng)的條件(1)離體的植物細(xì)胞、組織、器官。(2)無菌和人工控制。(3)培養(yǎng)在人工制備的培養(yǎng)基上。(4)給予適宜的培養(yǎng)條件。5．實驗：胡蘿卜的組織培養(yǎng)(1)原理：離體的植物器官、組織或細(xì)胞eq\o(→,\s\up17(脫分化))愈傷組織eq\o(→,\s\up17(再分化))幼根和芽→完整植物體(2)過程：取材：消毒后選取根的形成層部位，切取1cm3左右的小塊，因為該部位容易誘導(dǎo)形成愈傷組織接種：將組織塊接種到誘導(dǎo)培養(yǎng)基上，誘導(dǎo)出愈傷組織培養(yǎng)：在23～26℃恒溫避光條件下培養(yǎng)一段時間，再將愈傷組織轉(zhuǎn)接到分化培養(yǎng)基上培養(yǎng)誘導(dǎo)出試管苗移栽：將試管苗移栽到大田，培養(yǎng)成正常植株eq\a\vs4\al([合作探討])探討eq\a\vs4\al(1)：在植物組織培養(yǎng)過程中，為什么要進行一系列的消毒、滅菌，并且要求無菌操作？提示：避免雜菌在上面迅速生長消耗營養(yǎng)，且有些雜菌會危害培養(yǎng)物的生長。探討eq\a\vs4\al(2)：為什么切取胡蘿卜根的形成層？其他部分也能培養(yǎng)成小植株嗎？提示：胡蘿卜根的形成層容易誘導(dǎo)形成愈傷組織，其他部分如葉、花也能培養(yǎng)成小植株，只是稍微困難些。探討eq\a\vs4\al(3)：誘導(dǎo)愈傷組織的過程中是否都應(yīng)避光培養(yǎng)？提示：不一定。用不同植物或同一植物不同部位的組織細(xì)胞，誘導(dǎo)出愈傷組織所需的條件不一定相同。探討eq\a\vs4\al(4)：若培養(yǎng)物取自植物的幼莖、葉片等含有葉綠體的部位，愈傷組織中是否會含有葉綠體？提示：培養(yǎng)物經(jīng)過誘導(dǎo)后，失去其特有的結(jié)構(gòu)和功能而轉(zhuǎn)變成未分化細(xì)胞，愈傷組織中不含有葉綠體。eq\a\vs4\al([思維升華])1．植物組織培養(yǎng)的過程eq\x(外植體離體的植物器官、組織、細(xì)胞)eq\o(→,\s\up17(一定的營養(yǎng)、激素),\s\do15(脫分化))eq\x(愈傷組織)eq\o(→,\s\up17(調(diào)整激素比例),\s\do15(再分化))eq\x(胚狀體或叢芽)→eq\x(試管苗)(1)外植體：用于植物組織培養(yǎng)的離體的植物器官、組織或細(xì)胞。(2)脫分化：已經(jīng)分化的細(xì)胞，經(jīng)過誘導(dǎo)，失去其特有的結(jié)構(gòu)和功能而轉(zhuǎn)變成未分化細(xì)胞的過程。(3)愈傷組織：細(xì)胞排列疏松且無規(guī)則、高度液泡化、呈無定形狀態(tài)的薄壁細(xì)胞團。(4)再分化：脫分化產(chǎn)生的愈傷組織繼續(xù)進行培養(yǎng)，又可以重新分化出根或芽等器官的過程。2．植物組織培養(yǎng)中各過程的比較名稱過程形成體特點培養(yǎng)基光脫分化由外植體脫分化為愈傷組織排列疏松、高度液泡化的薄壁細(xì)胞團生長素與細(xì)胞分裂素的比例大避光再分化由愈傷組織分化為幼苗或胚狀結(jié)構(gòu)有根、芽或有生根發(fā)芽的能力上述比例小需光營養(yǎng)生長生殖生長發(fā)育成完整的植物體由根、莖、葉、花、果實、種子組成自身產(chǎn)生各種激素需光1．下列關(guān)于運用植物組織培養(yǎng)技術(shù)產(chǎn)生新個體的敘述，錯誤的是()【導(dǎo)學(xué)號：72240018】A．屬于無性生殖B．主要理論依據(jù)是植物細(xì)胞具有全能性C．培養(yǎng)過程中由于人工培養(yǎng)基含大量營養(yǎng)，不需光照就能發(fā)育成完整植株D．人工培養(yǎng)基中含植物生長發(fā)育所需的全部營養(yǎng)物質(zhì)，包括礦質(zhì)元素、糖、維生素等【解析】植物組織培養(yǎng)屬于無性生殖，依據(jù)的理論基礎(chǔ)為植物細(xì)胞的全能性；在培養(yǎng)基中含有植物細(xì)胞發(fā)育所需要的全部營養(yǎng)物質(zhì)；組織培養(yǎng)的脫分化階段不需要光，但是再分化階段需要光。【答案】C2．下圖所示為胡蘿卜的韌皮部細(xì)胞通過無菌操作，接入試管后，在一定條件下，形成試管苗的培育過程。請據(jù)圖回答下列問題：(1)要促進細(xì)胞分裂生長，培養(yǎng)基中應(yīng)有營養(yǎng)物質(zhì)和激素。營養(yǎng)物質(zhì)包括________和小分子有機物，激素包括細(xì)胞分裂素和________兩類植物激素。(2)此過程依據(jù)的原理是______________。A和B階段主要進行的分裂方式是________，B階段除了細(xì)胞分裂外，還進行細(xì)胞________等。(3)此過程要無菌操作，主要是指對________進行滅菌消毒。B階段需要光照，原因是_________________________________________________________________________________________________________________________。(4)試管苗的根細(xì)胞沒有葉綠素，而葉的葉肉細(xì)胞具有葉綠素，這是________的結(jié)果。(5)A、B兩過程能否在同一培養(yǎng)基上進行？___________________________。【解析】植物組織培養(yǎng)是用離體的植物組織、器官或細(xì)胞接種到經(jīng)消毒滅菌的培養(yǎng)基中，培養(yǎng)基含有供組織細(xì)胞生長發(fā)育所需要的無機物和小分子有機物，還有供調(diào)節(jié)細(xì)胞脫分化和再分化的細(xì)胞分裂素和生長素。由外植體發(fā)育到試管苗，脫分化階段細(xì)胞進行有絲分裂；再分化階段愈傷組織經(jīng)細(xì)胞有絲分裂和分化形成試管苗，此階段需要光照，原因是葉肉細(xì)胞中葉綠素的合成需要光照條件。由于細(xì)胞分裂素和生長素對脫分化、再分化的作用不同，因此需配制不同濃度比值的生長素、細(xì)胞分裂素培養(yǎng)基，通過轉(zhuǎn)接以便順利完成脫分化和再分化?！敬鸢浮?1)無機物生長素(2)細(xì)胞的全能性有絲分裂分化(3)培養(yǎng)基芽發(fā)育成葉，葉肉細(xì)胞中葉綠素的合成需要光照條件(4)基因選擇性表達(5)不能植物體細(xì)胞雜交1．概念將不同種的植物體細(xì)胞，在一定條件下融合成雜種細(xì)胞，并把雜種細(xì)胞培育成新的植物體的技術(shù)。2．過程(1)去壁：用纖維素酶和果膠酶去除植物細(xì)胞壁，獲得原生質(zhì)體。(2)誘導(dǎo)原生質(zhì)體融合的方法：①物理法：離心、振動、電激等。②化學(xué)法：用聚乙二醇(PEG)誘導(dǎo)。3．意義克服不同種生物遠(yuǎn)緣雜交的不親和性。eq\a\vs4\al([合作探討])探討eq\a\vs4\al(1)：將白菜體細(xì)胞和甘藍(lán)體細(xì)胞融合時，首先遇到的障礙是什么？用什么方法可以解除此障礙？提示：細(xì)胞壁阻礙細(xì)胞間的融合。用纖維素酶和果膠酶去除細(xì)胞壁。探討eq\a\vs4\al(2)：只考慮兩兩融合，原生質(zhì)體A和B可以形成幾種融合細(xì)胞？哪種融合細(xì)胞才是符合要求的？提示：三種。AB才是符合要求的。探討eq\a\vs4\al(3)：細(xì)胞融合完成的標(biāo)志與植物體細(xì)胞雜交完成的標(biāo)志相同嗎？為什么？提示：不相同。細(xì)胞融合完成的標(biāo)志是雜種細(xì)胞再生出細(xì)胞壁，而植物體細(xì)胞雜交完成的標(biāo)志是培育出雜種植株，而不是形成雜種細(xì)胞。探討eq\a\vs4\al(4)：從結(jié)果上看雜種植株在遺傳上有何特點？從雜種植株的染色體組成上看屬于何種變異？提示：(1)遺傳物質(zhì)來自兩個親本，具有雙親的遺傳性狀。(2)染色體數(shù)目增加，屬于染色體數(shù)目的變異。探討eq\a\vs4\al(5)：從新品種培育的角度分析，植物體細(xì)胞雜交技術(shù)最大的優(yōu)點是什么？提示：克服了不同種植物遠(yuǎn)緣雜交的障礙，使不同種植物雜交成為可能。eq\a\vs4\al([思維升華])1．植物組織培養(yǎng)和植物體細(xì)胞雜交的比較名稱植物組織培養(yǎng)植物體細(xì)胞雜交原理植物細(xì)胞的全能性細(xì)胞膜具有一定的流動性和植物細(xì)胞的全能性過程選材選取根尖、莖尖、形成層部位最容易誘導(dǎo)脫分化不同植物細(xì)胞融合后形成的雜種細(xì)胞技術(shù)操作脫分化、再分化等除脫分化、再分化外，還要用酶解法去除細(xì)胞壁，用一定的方法誘導(dǎo)細(xì)胞融合關(guān)系植物組織培養(yǎng)是植物體細(xì)胞雜交的基礎(chǔ)，植物體細(xì)胞雜交所用的技術(shù)更復(fù)雜2.植物體細(xì)胞雜交過程中的注意事項(1)植物體細(xì)胞雜交的培養(yǎng)基中要添加蔗糖且濃度略大于植物細(xì)胞質(zhì)濃度，不僅為原生質(zhì)體提供營養(yǎng)，而且還能維持一定的滲透壓，使原生質(zhì)體保持正常的形態(tài)。(2)體細(xì)胞融合后培養(yǎng)基中共有5種細(xì)胞類型(A、B、AA、BB、AB)，其中融合細(xì)胞類型有3種(AA、BB、AB)，而真正符合要求的是AB，因此要對融合細(xì)胞進行篩選。(3)體細(xì)胞雜交過程中涉及的遺傳知識：①從生殖類型上看，植物體細(xì)胞雜交技術(shù)沒有生殖細(xì)胞的形成和結(jié)合，應(yīng)屬于無性生殖，變異類型應(yīng)是染色體數(shù)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(zhì)，因此理論上應(yīng)具有兩個親本的遺傳性狀。②體細(xì)胞雜交即兩個細(xì)胞融合成一個細(xì)胞，不管染色體、基因組還是染色體組都是兩親本之和。若一植物細(xì)胞含有2x條染色體，2個染色體組，基因型為Aabb，另一植物細(xì)胞含有2y條染色體，2個染色體組，基因型為ccDd，則新植株應(yīng)為異源四倍體，其體細(xì)胞中染色體為(2x＋2y)條，4個染色體組，基因型為AabbccDd。③培育新品種的過程中，遺傳物質(zhì)的傳遞不遵循孟德爾的遺傳定律，只有在有性生殖進行減數(shù)分裂過程中才符合遺傳定律，而體細(xì)胞雜交沒有此過程。1．下列有關(guān)植物體細(xì)胞雜交的敘述，錯誤的是()A．有可能把兩個植物體的優(yōu)良性狀集中在雜種植株上B．需要用纖維素酶和果膠酶去除細(xì)胞壁C．利用聚乙二醇可以促進原生質(zhì)體融合D．植物體細(xì)胞雜交就是將不同的植物體細(xì)胞融合成雜種細(xì)胞【解析】植物體細(xì)胞雜交之前，需要用纖維素酶和果膠酶去除細(xì)胞壁，獲得具有活力的原生質(zhì)體；進行原生質(zhì)體間的融合，必須要進行人工誘導(dǎo)，如可用聚乙二醇促進原生質(zhì)體融合；植物體細(xì)胞雜交就是將不同的植物體細(xì)胞融合成雜種細(xì)胞，并將該雜種細(xì)胞培育成新的植物體的技術(shù)?！敬鸢浮緿2．用細(xì)胞工程技術(shù)將天竺葵與香茅草雜交產(chǎn)生了驅(qū)蚊香草，下列有關(guān)培育過程的敘述錯誤的是()A．需要用酶解法制備原生質(zhì)體B．愈傷組織的代謝類型是自養(yǎng)需氧型C．克服了遠(yuǎn)緣雜交不親和的障礙D．包含了有絲分裂和細(xì)胞分化的過程【解析】該過程中需利用植物體細(xì)胞雜交技術(shù)，需先利用纖維素酶和果膠酶處理，以制備原生質(zhì)體；愈傷組織細(xì)胞不能進行光合作用，需利用培養(yǎng)基中的有機物；其代謝類型應(yīng)為異養(yǎng)需氧型，B項錯誤；該技術(shù)克服了天竺葵與香茅草之間的種間障礙，雜種細(xì)胞培育成完整植株包括了有絲分裂及細(xì)胞分化為莖、葉、根等過程，C、D項正確?！敬鸢浮緽1．下列屬于植物組織培養(yǎng)的是()【導(dǎo)學(xué)號：72240019】A．花粉培養(yǎng)成單倍體植株B．芽發(fā)育成枝條C．根尖分生區(qū)發(fā)育成成熟區(qū)D．受精卵發(fā)育成植株【解析】植物組織培養(yǎng)的過程簡要概括為：離體的植物器官、組織或細(xì)胞經(jīng)脫分化形成愈傷組織，經(jīng)再分化形成根、莖、芽等器官，并進一步培養(yǎng)出完整的植株?；ǚ垭x體培養(yǎng)是植物組織培養(yǎng)的新技術(shù)，花粉細(xì)胞具有全能性；芽發(fā)育成枝條、根尖分生區(qū)發(fā)育成成熟區(qū)是正常的生長過程，受精卵發(fā)育成植株是正常的生殖過程?！敬鸢浮緼2．在離體的植物器官、組織或細(xì)胞脫分化形成愈傷組織的過程中，下列哪一項條件是不需要的()A．消毒滅菌 B．適宜的溫度C．充足的光照 D．適宜的養(yǎng)料和激素【解析】形成愈傷組織，需要在消毒滅菌條件下進行。因為只有在消毒滅菌條件下，才能保證培養(yǎng)出的組織、細(xì)胞避免感染，否則培養(yǎng)基內(nèi)將長出許多微生物，與離體細(xì)胞爭奪營養(yǎng)與生存空間，使其不能形成愈傷組織。由于此階段形成的是愈傷組織，并沒有形成具有根、莖、葉的植物體，因此不需要光照?！敬鸢浮緾3．某興趣小組擬用組織培養(yǎng)繁殖一種名貴花卉，其技術(shù)路線為“取材→消毒→愈傷組織培養(yǎng)→出芽→生根→移栽”。下列有關(guān)敘述，錯誤的是()A．消毒的原則是既殺死材料表面的微生物，又減少消毒劑對細(xì)胞的傷害B．在愈傷組織培養(yǎng)中加入細(xì)胞融合的誘導(dǎo)劑，可獲得染色體加倍的細(xì)胞C．出芽是細(xì)胞再分化的結(jié)果，受基因選擇性表達的調(diào)控D．生根時，培養(yǎng)基通常應(yīng)含α-萘乙酸等生長素類調(diào)節(jié)劑【解析】植物組織培養(yǎng)中消毒的原則是既殺死材料表面的微生物，又減少消毒劑對培養(yǎng)材料的傷害；形成的愈傷組織需先除去細(xì)胞壁得到原生質(zhì)體，再在細(xì)胞融合誘導(dǎo)劑作用下獲得染色體加倍的細(xì)胞；細(xì)胞分化的實質(zhì)是基因的選擇性表達；植物組織培養(yǎng)過程中，生根階段的培養(yǎng)基中通常應(yīng)含有生長素類調(diào)節(jié)劑。【答案】B4．野生馬鈴薯品種的植株具有較強的抗病、抗蟲、抗鹽堿、抗寒能力，但塊莖不能食用。某專家做實驗研究，用野生馬鈴薯與馬鈴薯的體細(xì)胞進行雜交，培育出了生活能力強的雜交系馬鈴薯。據(jù)圖分析回答問題：(1)①過程植物細(xì)胞原生質(zhì)體的分離需經(jīng)過酶解，其中“酶解”所用的酶應(yīng)該包括_____________________________________________________________。(2)②過程需要用到聚乙二醇(PEG)，其目的是________。(3)請用文字和箭頭表示出④→⑤技術(shù)過程的實驗流程：_________________________________________________________