第46讲 植物细胞工程-2025届高考生物一轮高效复习优质课件

第46讲　 植物细胞工程 1. 植物组织培养技术的原理和过程 2. 植物细胞工程的应用(快速繁殖、作物脱毒、新品种的培育、细胞产物的工厂化生产→植物细胞培养) 3. 植物体细胞杂交技术的原理和过程 细胞工程是指应用细胞生物学、和分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器水平、细胞水平或组织水平上的操作，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合科学技术。 细胞工程 植物细胞工程 动物细胞工程 植物的组织培养 植物体细胞杂交 动物细胞培养 动物细胞融合 动物体细胞核移植 单克隆抗体的制备 选必三 31、65 植物细胞的全能性 细胞膜的流动性 条件：离体、营养物质、激素、适宜的温度和pH 植物细胞的全能性 原因：生物体的每个细胞中都含有发育成完整个体所需的全套基因 大本313 细胞工程的概念 植物细胞的全能性 大本313 选必三 34 造血干细胞分化成各种血细胞可以体现全能性吗？ 实例：胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株 受精卵发育成个体（动植物） 蜜蜂受精卵发育成工蜂，卵细胞发育成雄峰 用一粒花粉繁殖出新的植株 胚胎干细胞可分化发育为各种组织器官的细胞 反例：植物的种子发育成完整植株，不能体现细胞的全能性 思考： 1.是不是所有的活细胞都具有全能性？ 2.细胞具有的全能性一定能表现出来吗？ 不是；例如哺乳动物成熟的红细胞、植物成熟的筛管细胞都没有细胞核 不一定；例如动物的体细胞 如何才能让已经分化的植物细胞表现出全能性？ 选必三 35 概念： 植物组织培养技术 大本313 选必三 35 实验原理： 植物细胞具有全能性 如：胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、月季的花药… 原因：分化程度较低，分裂能力强，容易诱导形成愈伤组织 基本过程： 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 胚状体、芽根、等 试管苗 移栽 完整植株 无性生殖 大本313 选必三 35-37 基本过程： ①消毒灭菌 ②取材（形成层） ③接种到诱导愈伤组织培养基上 植物组织培养技术 ④接种到诱导分化出芽培养基上 ⑤移栽 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 胚状体等 幼芽、根 完整植株 发育 移栽成活 脱分化 再分化 接种到诱导分化出根培养基上 形态学下端插入培养基 试管苗的光合作用能力弱，在移栽前应给予较强光照闭瓶炼苗，以促进幼苗向自养苗转化 愈伤组织： 细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、不定形的薄壁组织团块 脱分化： 已分化的细胞，失去其特有结构和功能转变成未分化的细胞的过程 注意：脱分化该培养过程一般不需要光照(避光培养) 再分化： 愈伤组织在培养过程中重新分化根或芽等器官的过程 注意：再分化需要给予适当光照，叶绿素的合成需要光照 (诱导叶绿素的合成,使得试管苗可以进行光合作用) 大本313 选必三 35-37 植物组织培养技术 名师解读 ①光照：在愈伤组织诱导阶段，对有些植物来说，避光培养有利于细胞脱分化形成愈伤组织。当愈伤组织再分化出芽和叶时，一定要有光照，有利于叶片内叶绿素的合成。 植物组织培养常用的培养基(MS培养基)配方(选必三116) 固体培养基 ①碳源：蔗糖 ②主要氮源：NH4NO3、KNO3 ③肌醇、烟酸、盐酸吡哆醇、盐酸硫胺素属维生素类 肌醇：参与细胞壁及细胞膜的构建，促进胚状体和芽的形成 烟酸、盐酸吡哆醇、盐酸硫胺素：辅酶，参与各种代谢，促进生长分化 ④甘氨酸：很多氨基酸体内合成的前体物、促进离体根的生长 提供能量，调节渗透压 名师解读 ②植物组织培养中所需的碳源一般为蔗糖，少数为葡萄糖和果糖，原因是蔗糖既可提供充足的碳源，又可维持相对适中的渗透压，而葡萄糖和果糖在与蔗糖提供相同数量碳源的前提下，其造成的渗透压可能过高。 大本313 C 1.(2023·江苏南京调研)关于植物组织培养的再分化过程，说法错误的是(　　) A.再分化过程中，不同细胞内合成了功能不同的特异性蛋白质 B.脱分化与再分化过程所使用的培养基主要是激素浓度及用量比例的不同 C.再分化过程在实验室或植物组织培养车间进行，需要避光处理 D.再分化过程中，核遗传物质没有发生改变，但mRNA有变化 2.(2019·全国卷Ⅲ，38)培养胡萝卜根组织可获得试管苗，获得试管苗的过程如图所示 (1)利用胡萝卜根段进行组织培养可以形成试管苗。用分化的植物细胞可以培养成完整的植株，这是因为植物细胞具有___________________________________ _________。 (2)步骤③切取的组织块中要带有形成层，原因是___________________________。 (3)从步骤⑤到步骤⑥需要更换新的培养基，其原因是______________________ ___________________________________________________________________。 在新的培养基上愈伤组织通过细胞的____________________过程，最终可形成试管苗。 全能性(或答：形成完整植株所需的全 部基因) 形成层分化程度低，分裂能力强，容易诱导形成愈伤组织　 诱导愈伤组织形成和 诱导愈伤组织分化形成试管苗所需的生长素和细胞分裂素的比例不同 分化(或答：再分化)　 大本314-315 选必三 39-41 植物细胞工程的应用 (1)植物繁殖的新途径 大本314-315 选必三 39-41 植物细胞工程的应用 (2)作物新品种的培育 ①单倍体育种 原理： 植物细胞的全能性、染色体(数目)变异 方法： 花药离体培养、(秋水仙素)诱导染色体加倍 过程： 秋水仙素诱导染色体加倍 花药离体 单倍体植株 正常纯合体植株 脱分化 愈伤组织 再分化 ②突变体的利用 过程： 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 突变体 筛选 培育 新品种 诱变处理 在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态， 因此容易受到培养条件和诱变因素(如射线、化学物质等)的影响而产生突变 原因： 基因突变、植物细胞的全能性 原理： ①次生代谢物：是一类小分子有机化合物(如酚类、萜类和含氮化合物等)，在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。 大本314-315 选必三 39-41 植物细胞工程的应用 (3)细胞产物的工厂化生产 ②细胞产物的工厂化生产：人们利用植物细胞培养来获得目标产物，这个过程就是细胞产物的工厂化生产。 在特定组织或器官中，并在一定环境和时间条件下产生 ③植物细胞培养：是指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。(原理：细胞增殖) (一般是培养到愈伤组织阶段) 过程： 选必三 41 (3)细胞产物的工厂化生产的应用 运用植物细胞工程技术可以培育单倍体植株和进行细胞产物的工厂化生产。判断下列相关表述是否正确。 (1)用花药培养得到单倍体植株需要用到植物组织培养技术。（ ） (2)细胞产物的工厂化生产主要是利用促进细胞生长的培养条件，提高了单个细胞中次生代谢物的含量。（ ） √ × 选必三 42 3.(2023·广东茂名调研)紫杉醇是从红豆杉树皮中提取的高效抗癌物质，细胞培养生产紫杉醇是扩大紫杉醇来源的重要途径。下图为三种红豆杉细胞培养过程中细胞数量与紫杉醇产量的数据图。 (1)以南方红豆杉叶为原料获得生产紫杉醇的愈伤组织需要通过细胞的________，愈伤组织细胞具有较强的_________________能力。这一技术的成功实现了组织培养技术在一个重要领域的应用，即________________________。 (2)对比分析两个曲线图可知：培养后期紫杉醇产量出现下降的原因可能是________________________________________； 脱分化 分裂、分化 细胞产物的工厂化生产　 培养的细胞数量减少、某些代谢产物积累等　 大本316 3.(2023·广东茂名调研)紫杉醇是从红豆杉树皮中提取的高效抗癌物质，细胞培养生产紫杉醇是扩大紫杉醇来源的重要途径。下图为三种红豆杉细胞培养过程中细胞数量与紫杉醇产量的数据图。 在培养过程中，要不断通入无菌空气并进行搅拌，其目的是_________________________________________________________ (答三点)；与传统方法获得紫杉醇相比，利用植物组织培养技术生产紫杉醇，具有_____________________________等优点(答两点即可)。 (3)植物生长调节剂在组织培养中具有极其重要的作用，其中赤霉素类植物生长调节剂的主要作用是_____________________。 防止微生物污染，保证氧气供应充足，使细胞与培养液充分接触　 产量高、节约资源、保护环境 促进培养细胞的伸长 大本316 大本314 选必三 36-38 植物体细胞杂交技术 无性生殖 大本314 选必三 36-38 植物体细胞杂交技术 移栽 移栽后的植株 愈伤组织 2.过程 A细胞 B细胞 纤维素酶果胶酶 ①去壁： 酶解法 正在融合的原生质体 再生出细胞壁 ②诱融 物理法： 化学法： 电融合法、离心法 聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+ —高pH融合法等 脱分化 再分化 A原生质体 B原生质体 植物组织培养 （植物细胞的全能性） （细胞膜的流动性） 杂种细胞 指去除细胞壁的细胞；动物细胞可看做是原生质体 灭活病毒只能诱导动物细胞融合，不能诱导植物细胞融合 细胞融合成功的标志 体细胞杂交完成的标志 杂种植株 植物细胞融合 植物体细胞杂交 大本314 选必三 36-38 植物体细胞杂交技术 思考： (1)纤维素酶和果胶酶的酶溶液中一般加入一定浓度的无机盐离子和甘露醇的原因是？ (2)细胞融合成功的标志是？与此过程中相关的主要细胞器是？ 使溶液具有一定的渗透压，防止原生质体吸水过多而涨破，保持原生质体正常 [原生质体所处的溶液应为等渗或高渗溶液(略高)] 杂种细胞再生出新的细胞壁 高尔基体、线粒体 大本314 选必三 36-38 植物体细胞杂交技术 不同物种 生殖隔离 异源多倍体 ①生殖方式：________ 分裂方式：________ 可遗传变异类型：________________ ②实例：白菜-甘蓝、普通小麦-长穗偃麦草 无性生殖 有丝分裂 染色体(数目)变异 ③优点 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。 ④缺点 目前有许多理论和技术未解决，还不能让杂种植物按照人们的需要表现出双亲的性状。 大本315 2．植物体细胞杂交和有性杂交的辨析 1．植物组织培养与植物体细胞杂交的比较 大本315 1．植物组织培养与植物体细胞杂交的比较 大本315 B 1.(2022·江苏盐城调研)马铃薯四倍体栽培种没有青枯病的抗性基因，少数马铃薯野生种存在青枯病的抗性基因。由于核型等差异，野生种难以与四倍体马铃薯栽培种直接杂交繁育，为获得具有抗青枯病的马铃薯栽培种，研究人员进行了植物体细胞杂交的实验研究，过程如下图所示。下列有关叙述正确的是(　　) A.在低渗溶液中，用纤维素酶和果胶酶处理A和B以获得两种原生质体 B.培育成的马铃薯新品种与野生型或四倍体栽培种之间存在核型差异 C.过程②的培养基中需添加等量的生长素类和赤霉素类植物生长调节剂 D.③为再分化过程，可用 DNA 分子杂交技术鉴定植株的抗病性状 大本315 二倍体 二倍体 六倍体 是否含有抗性基因 2.马铃薯栽培种的抗病性和抗逆性较差，野生马铃薯种的抗病性和抗逆性较好。利用野生马铃薯种，通过细胞工程改进马铃薯栽培种种植的思路是__________________________________________________________________ ___________。 将野生马铃薯细胞与马铃薯栽培种细胞进行融合，经植物组织培养技术培养成植株 大本315 【情境推理·探究】 二倍体 四倍体 D 2.(2023·湖北黄冈调研)下图是通过植物体细胞杂交技术获得“番茄—马铃薯”植株的技术流程图，下列说法正确的是(　　) A.图中过程②表示再分化的过程 B.植物体细胞融合完成的标志是原生质体融合 C.已知番茄、马铃薯分别为四倍体、二倍体，则“番茄—马铃薯”属于三倍体 D.该过程体现了植物细胞的全能性 大本316 1.(2021·福建卷，11)科研人员利用植物体细胞杂交技术培育矮牵牛新品种，技术流程示意图如下。 大本317 下列叙述正确的是(　　) A.愈伤组织是幼嫩叶片通过细胞分化形成的 B.获得的杂种植株都能表现双亲的优良性状 C.可用聚乙二醇诱导原生质体甲和乙的融合和细胞壁再生 D.用纤维素酶和果胶酶处理愈伤组织以获得原生质体 D 由于基因的选择性表达和基因间的相互作用(基因互作)，不一定都能表现 4.(2019·江苏卷，20)为探究矮牵牛原生质体的培养条件和植株再生能力，某研究小组的实验过程如图。下列叙述正确的是(　　) D A.过程①获得的原生质体需悬浮在30%蔗糖溶液中 B.过程②需提高生长素的比例以促进芽的分化 C.过程③需用秋水仙素处理诱导细胞壁再生 D.原生质体虽无细胞壁但仍保持细胞的全能性 大本318 30%的蔗糖溶液可导致原生质体失水皱缩，无法维持正常形态；应悬浮于适宜的等渗溶液中 3.(2022·广东卷，21)研究深海独特的生态环境对于开发海洋资源具有重要意义。近期在“科学号”考察船对中国南海科考中，中国科学家采集了某海域1 146米深海冷泉附近沉积物样品，分离、鉴定得到新的微生物菌株并进一步研究了其生物学特性。 回答下列问题： (1)研究者先制备富集培养基，然后采用________________法灭菌，冷却后再接入沉积物样品，28 ℃厌氧培养一段时间后，获得了含拟杆菌的混合培养物，为了获得纯种培养，除了稀释涂布平板法，还可采用_________法。据图分析，拟杆菌新菌株在以________为碳源时生长状况最好。 高压蒸汽灭菌 平板划线 纤维素 大本311 3.(2022·广东卷，21)研究深海独特的生态环境对于开发海洋资源具有重要意义。近期在“科学号”考察船对中国南海科考中，中国科学家采集了某海域1 146米深海冷泉附近沉积物样品，分离、鉴定得到新的微生物菌株并进一步研究了其生物学特性。 (2)研究发现，将采集的样品置于各种培养基中培养，仍有很多微生物不能被分离筛选出来，推测其原因可能是________________________________________ ________________________________________________(答一点即可)。 某些微生物只有利用深海冷泉中的特有物质 才能生存(或需要在深海冷泉的特定环境中才能存活)　 (3)藻类细胞解体后的难降解多糖物质，通常会聚集形成碎屑沉降到深海底部。从生态系统组成成分的角度考虑，拟杆菌对深海生态系统碳循环的作用可能是_________________________________________________________________________________________________________________。 (4)深海冷泉环境特殊，推测此环境下生存的拟杆菌所分泌的各种多糖降解酶，除具有酶的一般共性外，其特性可能还有________。 拟杆菌作为分解者，将沉降到深海底部的难降解多糖物质分解为无机物，归还到无机环境中，有利于碳循环的顺利进行(答到分解者的作用即可) 耐低温 大本311 大本317 2.(2021·江苏卷，5)植物组织培养技术常用于商业化生产，其过程一般为：无菌培养物的建立→培养物增殖→生根培养→试管苗移栽及鉴定。下列相关叙述错误的是(　　) A.为获得无菌培养物，外植体要消毒处理后才可接种培养 B.组织培养过程中也可无明显愈伤组织形成，直接形成胚状体等结构 C.提高培养基中生长素和细胞分裂素的比值，有利于诱导生根 D.用同一植株体细胞离体培养获得的再生苗不会出现变异 D 3.(2019·北京卷，4)甲、乙是严重危害某二倍体观赏植物的病害。研究者先分别获得抗甲、乙的转基因植株，再将二者杂交后得到F1，结合单倍体育种技术，培育出同时抗甲、乙的植物新品种。以下对相关操作及结果的叙述，错误的是(　　) A.将含有目的基因和标记基因的载体导入受体细胞 B.通过接种病原体对转基因的植株进行抗病性鉴定 C.调整培养基中植物激素比例获得F1花粉再生植株 D.经花粉离体培养获得的若干再生植株均为二倍体 D 大本318 $$