10.3 植物细胞工程(Word教参)-【正禾一本通】2025年高考生物高三一轮总复习高效讲义（人教版2019 不定项版）

第3课时　植物细胞工程　 【课标要求】1.阐明植物组织培养是在一定条件下，将离体植物器官、组织和细胞在适宜的培养条件下诱导形成愈伤组织，并重新分化，最终形成完整植株的过程。2.概述植物体细胞杂交是将不同植物体细胞在一定条件下融合成杂合细胞，继而培育成新植物体的技术。3.举例说明植物细胞工程利用快速繁殖、脱毒、次生代谢产物生产、育种等方式有效提高了生产效率。 考点1　植物组织培养技术 整合必备知识 1.细胞工程的概念 项目 内容 原理和方法 细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科 操作水平 细胞器、细胞或组织水平 目的 获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品 分类 植物细胞工程和动物细胞工程 2.植物细胞的全能性 项目 内容 定义 细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能 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 大小比较 (1)受精卵>生殖细胞>体细胞； (2)分化程度低的细胞>分化程度高的细胞； (3)植物细胞>动物细胞 体现 利用植物的一片花瓣、一粒花粉，甚至一个细胞，都可以繁殖出新的植株 未表现及原因 在生物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都表现出全能性在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达 表现条件 离体、营养物质、激素、适宜的温度和pH 3.植物组织培养技术 (1)概念：将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。 (2)理论基础：植物细胞的全能性。 (3)基本过程 外植体(离体培养的植物器官、组织或细胞)愈伤组织芽、根―→完整植株 ①脱分化：在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成愈伤组织的过程。 ②愈伤组织：脱分化产生的不定形的薄壁组织团块。 ③再分化：愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。 (4)探究·实践——菊花的组织培养 [深挖教材]　 (选择性必修3 P116“附录1”) (1)诱导菊花愈伤组织的培养基：在MS培养基中加入BA(苄基腺嘌呤)和NAA(萘乙酸)，质量浓度均为0.5__mg/L。 (2)诱导菊花生芽的培养基：在MS培养基中加入BA和NAA，质量浓度分别为2～3__mg/L和0.02～0.3__mg/L。 (3)诱导菊花生根的培养基：将MS培养基中NH4NO3、KNO3、KH2PO4、MgSO4·7H2O和CaCl2·2H2O的用量减半，并添加NAA或IAA(吲哚乙酸)，质量浓度均为0.1__mg/L。 [深化理解] 植物组织培养过程中应注意的问题 (1)接种时注意外植体的方向，应将外植体的形态学下端插入培养基，不能倒插。 (2)培养一株完整的试管苗，必须先进行生芽培养，再进行生根培养。如果顺序颠倒，先诱导生根，就不容易诱导生芽。 (3)菊花的组织培养中，愈伤组织的形成一般不需要光照，而在后续的培养过程中，需要一定量的光照。 (4)试管苗一般在高湿、弱光、恒温等条件下培养生长，出瓶后一定要注意保温、保湿。 (5)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。 【易错辨析】　//////////////////////////////// (1)在诱导离体菊花茎段形成幼苗的过程中，不会发生细胞的增殖和分化。(×) 提示：愈伤组织通过分裂、分化形成幼苗。 (2)胚状体是外植体在培养基上脱分化形成的一团愈伤组织。(×) 提示：胚状体是愈伤组织经再分化形成的。 (3)无论脱分化还是再分化，过程中均需提供光照。(×) 提示：脱分化过程中不需提供光照。 (4)植物组织培养过程中生长素和细胞分裂素的比值始终不变。(×) 提示：脱分化和再分化过程中生长素和细胞分裂素的比值不同。 提升关键能力 观察菊花的组织培养流程图，探究以下问题： (1)选用菊花的外植体时，一般选用形成层细胞或组织块，其原因是什么？ 提示：形成层细胞由于分裂旺盛，全能性高，容易诱导形成愈伤组织，其他部分如叶、花全能性低，不易培养成完整植株。 (2)为什么说从繁殖方式上看，植物组织培养的繁殖方式是无性繁殖？ 提示：植物组织培养是在细胞有丝分裂和细胞分化的基础上实现的，此过程并没有生殖细胞的产生，所以是无性繁殖。 (3)在植物组织培养的过程中，为什么要求无菌操作？ 提示：培养物一旦受到微生物的污染，这些微生物会和外植体争夺培养基中的营养物质，并且产生大量对外植体有害的物质，导致外植体死亡。 落实素养题组 1.(2023·福建厦门二模)在草莓脱毒苗组织培养过程中，诱导生根是很重要的一步。研究生根培养的过程中，不同培养基和NAA浓度对草莓脱毒苗生根情况的影响结果如表所示，下列相关说法错误的是(　　) 组别 培养基类型 NAA浓度/(mg·L－1) 平均生根数/条 1 MS 0.0 2.47 2 MS 0.1 2.87 3 1/2MS 0.0 5.53 4 1/2MS 0.1 6.80 注：1/2MS培养基指微量元素减少一半的MS培养基。 A.将消毒后的茎尖置于无菌培养基中诱导其出现愈伤组织 B.与MS培养基相比，1/2MS培养基更适合草莓脱毒苗脱分化生根 C.在1/2MS培养基中，使用NAA促进脱毒苗生根效果更显著 D.茎尖等分生区部位的细胞几乎不含病毒，可培育出脱毒苗 解析：选B。将消毒后的茎尖置于无菌培养基中诱导其出现愈伤组织实现脱分化过程，为后续的再分化过程做准备，A正确；由表格数据可知，与MS培养基相比，1/2MS更适合草莓脱毒苗再分化生根，B错误；由表可知，使用NAA比不使用NAA在1/2MS培养基中促进脱毒苗生根效果更显著，C正确；植物分生区附近(如茎尖)的病毒极少，甚至无病毒，因此切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗，D正确。 2.(2023·河北石家庄模拟)马铃薯微型薯是由马铃薯脱毒苗经过炼苗，并移栽至温室中获得的第一代种薯。下列说法正确的是(　　) A.培养马铃薯脱毒苗时，需选用茎尖并对其进行灭菌处理 B.植物组织培养过程中，每日需要给予适当时间和强度的光照，才可获得抗病毒的脱毒苗 C.外植体经脱分化后再分化形成脱毒苗，两个阶段所用的固体培养基中激素的种类和比例相同 D.为确保脱毒苗的质量，在移栽之前还需要经过病毒检测，可采用抗原—抗体杂交方法检测相应病毒的蛋白质 解析：选D。利用茎尖培养脱毒苗时，茎尖病毒极少，甚至没有病毒，不能对其进行灭菌处理，只需要通过流水冲洗→酒精→无菌水→次氯酸钠→无菌水进行消毒处理，A错误；脱毒苗是由病毒极少甚至没有病毒的茎尖培育而来的，并不具备抗病毒能力，植物组织培养过程中一般脱分化不需要光照，再分化需要光照诱导形成叶绿素，B错误；外植体先经过脱分化形成愈伤组织，再通过再分化形成胚状体，长出芽和根，进而发育成脱毒苗，脱分化和再分化所用培养基中细胞分裂素和生长素的比例不同，C错误；为确保获得的脱毒苗没有病毒，可检测马铃薯常见病毒的蛋白质，依据的原理是抗原—抗体的特异性结合，D正确。 题后点击　在植物组织培养过程中激素比例与细胞分裂、细胞分化的关系 (1)适当提高生长素与细胞分裂素的比例容易生根。 (2)适当提高细胞分裂素与生长素的比例容易生芽。 (3)比例适中诱导产生愈伤组织。如图所示： 考点2　植物体细胞杂交技术 整合必备知识 1.过程 (1)过程①为去除细胞壁获得原生质体，用到的酶是纤维素酶和果胶酶。 (2)过程②为原生质体的融合，人工诱导的物理法包括电融合法、离心法等，化学法包括聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。 (3)过程③为融合的原生质体再生出细胞壁，这是原生质体融合成功的标志。 (4)过程④为脱分化，过程⑤为再分化。 2.概念 植物体细胞杂交是指将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。 3.意义 植物体细胞杂交技术在打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面展示出独特的优势。 4.实例 白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草、多种柑橘属不同种间的杂种植株。 5.局限性 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。 [深挖教材] (选择性必修3 P38“拓展应用”)“番茄—马铃薯”杂种植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，但这些遗传物质的表达相互干扰，不能像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，故没有地上结番茄、地下长马铃薯。　 【易错辨析】　//////////////////////////////// (1)利用物理法或化学法可以直接将两个植物细胞诱导融合。(×) 提示：诱导植物细胞融合首先应去除细胞壁。 (2)形成杂种细胞就完成了植物体细胞杂交过程。(×) 提示：植物体细胞杂交过程包括形成杂种细胞和植物组织培养。 (3)细胞融合时不只形成杂种细胞，还形成同种细胞融合的细胞。(√) (4)用纤维素酶和果胶酶酶解法获得的植物原生质体失去了细胞全能性。(×) 提示：用纤维素酶和果胶酶酶解法获得的植物原生质体依然保留细胞的全能性。 提升关键能力 不同物种之间存在着天然的生殖隔离，利用传统的有性杂交的方法很难得到杂种后代。科学家采用体细胞杂交的方法得到了“番茄—马铃薯”杂种植株。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。 (1)植物体细胞杂交实现的基础和植物组织培养的理论基础分别是什么？ 提示：细胞膜的流动性；植物细胞的全能性。 (2)将图中的甲和乙两种细胞去除细胞壁后诱导融合，若只考虑两两融合，可以形成哪几种融合细胞？符合要求的杂种细胞是哪种？ 提示：3种：甲甲、甲乙、乙乙。符合要求的是甲乙。 (3)二倍体番茄和二倍体马铃薯细胞杂交得到的“番茄—马铃薯”有多少个染色体组，是几倍体？ 提示：有四个染色体组；是四倍体。 (4)从结果上看杂种植株在遗传上有什么特点？从杂种植株的染色体组成上看属于哪种变异类型？ 提示：遗传物质来自两个亲本，具有双亲的遗传性状。从染色体组成上看属于染色体数目变异。 落实素养题组 1.马铃薯抗病(A)对易感病(a)为显性，块茎大(B)对块茎小(b)为显性。现利用品系甲(Aabb)和品系乙(aaBb)培育抗病块茎大的新品种。科学家利用了以下两种途径进行培育。下列有关叙述错误的是(　　) A.目标品系M和目标品系N的染色体组数相同 B.目标品系M和目标品系N的核DNA数相同 C.目标品系M和目标品系N的相关基因组成相同 D.目标品系M和目标品系N的表型不一定相同 解析：选C。目标品系M和目标品系N都为四倍体，染色体组数相同，A正确；目标品系M和目标品系N都为四倍体，二者的核DNA数相同，B正确；根据题干信息分析，目标品系M有纯合子也有杂合子，而目标品系N是杂合子，二者相关基因组成不一定相同，二者的表型不一定相同，C错误、D正确。 2.(多选)花椰菜(2n＝18)易患黑腐病导致减产，黑芥(2n＝16)则有较好的黑腐病抗性。科研人员基于图中所示过程，培育出抗性花椰菜植株m、n和s，它们均含有花椰菜的全部染色体。下列叙述错误的是(　　) A.对黑芥进行紫外线处理可能使黑芥细胞发生染色体变异 B.融合的原生质体中来自黑芥的染色体介于0～8之间 C.植株m、n、s中的抗性基因来自黑芥的染色体 D.植株n、s中来自黑芥的染色体可以构成一个染色体组 解析：选BD。对黑芥进行紫外线处理的目的是发生染色体变异，使具有黑腐病抗性基因的染色体部分断裂，最终形成染色体变异的植株，A正确；分析题意可知，m、n和s均含有花椰菜的全部染色体，而花椰菜的染色体数是18，融合的原生质体经过组织培养得到的植株中的染色体数是20、25、26，所以融合的原生质体中来自黑芥的染色体条数分别为2、7、8，故介于2～8之间，B错误；结合题干“黑芥(2n＝16)则有较好的黑腐病抗性”可知植株m、n、s中的抗性基因来自黑芥的染色体，C正确；一个染色体组指细胞中的一组非同源染色体，结合B选项的分析可知，植株n、s中来自黑芥的染色体条数分别为7、8，可知植株n、s中来自黑芥的染色体不一定构成一个染色体组，D错误。 考点3　植物细胞工程的应用 整合必备知识 1.植物繁殖的新途径 [深挖教材] (1)(选择性必修3 P40“作物脱毒”)脱毒苗与抗毒苗的区别 脱毒苗是选择植物的分生区如茎尖(病毒极少，甚至无病毒)进行组织培养而获得的，属于细胞工程的范畴；抗毒苗是把某抗病毒基因导入受体细胞中，并通过一定的方法培养形成的，属于基因工程的范畴。　 2.作物新品种的培育 项目 单倍体育种 突变体的利用 原理 染色体变异 基因突变 优点 明显缩短育种年限 产生新基因，大幅度改良某些性状 过程 花药离体培养→单倍体植株纯合子植株 3.细胞产物的工厂化生产 (1)次生代谢物 ①概念：植物代谢产生的不是植物基本的生命活动所必需的产物，是一类小分子有机化合物。 ②种类：酚类、萜类和含氮化合物等。 (2)生产的技术手段：植物细胞培养技术。 (3)优点：不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制。 (4)实例：人参、三七、紫草和红豆杉的细胞产物都已实现了工厂化生产。 [提醒]　若要提取细胞产物，应培养到愈伤组织阶段。 [深挖教材] (2)(选择性必修3 P41“相关信息”)初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，因此在整个生命过程中它一直进行着；次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定的组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行。　 【易错辨析】　//////////////////////////////// (1)培养草莓脱毒苗所采用的主要技术是植物体细胞杂交。(×) 提示：培养草莓脱毒苗所采用的主要技术是植物组织培养。 (2)单倍体育种和突变体培育的遗传学原理是一致的。(×) 提示：单倍体育种的原理是染色体变异，突变体培育的原理是基因突变。 (3)利用组织培养技术培育脱毒苗，获得抗病毒的新物种。(×) 提示：利用组织培养技术培育的脱毒苗并不是新物种。 (4)二倍体植株的花粉经脱分化与再分化后得到稳定遗传的植株。(×) 提示：二倍体植株的花粉经脱分化与再分化后得到的植株是单倍体，高度不育。 落实素养题组 1.(2023·广东东莞模拟)人参皂苷具有抗肿瘤等作用，科研人员设计如图1所示流程制备人参皂苷，并研究了过程③生物反应器中人参细胞产量(干重)、人参皂苷产量随培养时间的变化，结果如图2。下列叙述正确的是(　　) A.图1中过程①为脱分化，体现了植物细胞的全能性 B.图1中过程②常需用纤维素酶或果胶酶处理将愈伤组织分散成单个细胞 C.图1中过程③采用静置培养，并加入适量蔗糖有利于维持渗透压 D.由图2可知，人参细胞的数量和培养时间等因素会影响人参皂苷产量 解析：选D。图1中①表示脱分化，该过程是没有体现植物细胞的全能性，整个实验的目的是利用细胞株得到细胞产物，其原理是细胞增殖，没有体现细胞的全能性，A错误；过程②为细胞增殖，不需要用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，B错误；过程③通常采用振荡培养获得大量组织细胞，除有利于增加溶解氧外，还能防止细胞聚集，C错误；由图2可知，生物反应器中人参细胞的数量和人参皂苷产量增加趋势基本一致，因而可推测，影响人参皂苷产量的因素有人参细胞数量和培养时间，D正确。 2.(多选)利用山金柑愈伤组织细胞(2n)和早花柠檬叶肉细胞(2n)进行体细胞杂交可以得到品质高、抗逆性强的杂种植株。如图是7组杂种植株核DNA和线粒体DNA来源鉴定的结果。下列分析正确的是(　　) A.获得的融合原生质体需放在无菌水中以防止杂菌污染 B.用灭活病毒诱导两种细胞原生质体的融合依赖于细胞膜的流动性 C.可通过观察融合后细胞的颜色对杂种细胞进行初步筛选 D.杂种植株是二倍体，其核基因来自早花柠檬，线粒体基因来自山金柑 解析：选CD。获得的融合原生质体不可放置在无菌水中否则会导致吸水涨破，A错误；灭活病毒可诱导动物细胞融合，但不能诱导原生质体融合，B错误；由于愈伤组织细胞不含叶绿体，而叶肉细胞含有叶绿体，因此可通过观察融合后细胞的颜色进行初步筛选，C正确；由图可知，杂种植株的线粒体基因只来自山金柑，核基因只来自早花柠檬，因此仍是二倍体，D正确。 　　　　　　　　　　　　　　　　[高考真题·感悟试做]　　　　　　　　　　　　　　　　　 1.(2023·广东高考)人参皂苷是人参的主要活性成分。科研人员分别诱导人参根与胡萝卜根产生愈伤组织并进行细胞融合，以提高人参皂苷的产率。下列叙述错误的是(　　) A.细胞融合前应去除细胞壁 B.高Ca2＋—高pH溶液可促进细胞融合 C.融合的细胞即为杂交细胞 D.杂交细胞可能具有生长快速的优势 解析：选C。植物细胞外面有一层细胞壁，这层细胞壁阻碍着细胞间的杂交，因此，在进行体细胞杂交之前，必须先利用纤维素酶和果胶酶去除这层细胞壁，获得原生质体，A正确。人工诱导原生质体融合的方法基本分为两大类——物理法和化学法，物理法包括电融合法、离心法等；化学法包括聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等，B正确。融合的细胞可能由一种细胞融合而成，也可能由两种细胞融合而成(即杂交细胞)，C错误。杂交细胞可能具有生长快速的优势，D正确。 2.(2023·山东高考)利用植物细胞培养技术在离体条件下对单个细胞或细胞团进行培养使其增殖，可获得植物细胞的某些次生代谢物。下列说法正确的是(　　) A.利用该技术可获得某些无法通过化学合成途径得到的产物 B.植物细胞体积小，故不能通过该技术进行其产物的工厂化生产 C.次生代谢物是植物所必需的，但含量少，应选择产量高的细胞进行培养 D.该技术主要利用促进细胞生长的培养条件提高单个细胞中次生代谢物的含量 解析：选A。有些产物不能或难以通过化学合成途径得到，故可利用该技术获得某些无法通过化学合成途径得到的产物，A正确；利用植物细胞培养技术在离体条件下对单个细胞或细胞团进行培养使其增殖，可获得植物细胞的某些次生代谢物，故可通过该技术进行植物细胞产物的工厂化生产，B错误；次生代谢物不是植物生长所必需的，其含量少，可以通过增加细胞的数量来增加次生代谢物的产量，C错误；细胞产物的工厂化生产主要是利用促进细胞分裂的培养条件，提高了多个细胞中次生代谢物的含量，不能提高单个细胞中次生代谢物的含量，D错误。 3.(2022·浙江6月选考·改编)下列关于菊花组织培养的叙述，正确的是(　　) A.用自然生长的茎进行组培须用适宜浓度的酒精和次氯酸钠的混合液消毒 B.培养瓶用专用封口膜封口可防止外界杂菌侵入并阻止瓶内外的气体交换 C.组培苗锻炼时采用蛭石作为栽培基质的原因是蛭石带菌量低且营养丰富 D.不带叶片的菊花幼茎切段可以通过植物组织培养形成完整的菊花植株 解析：选D。自然生长茎段的消毒属于外植体消毒，先用体积分数为70%的酒精处理，再用无菌水清洗，再用质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液消毒处理，最后再用无菌水清洗，A错误；培养瓶用专用封口膜封口的目的是防止杂菌污染，并不影响气体交换，B错误；组培苗锻炼时采用蛭石作为栽培基质的原因是蛭石比较松软，持水性也较好，有利于幼苗的生根和叶片的生长，C错误。 4.(2021·江苏高考)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 解析：选D。植物组织培养过程中应注意无菌操作，为获得无菌培养物，外植体要经过表面消毒处理后，才能进行培养，所用的培养基必须彻底灭菌，A正确；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，B正确；生长素和细胞分裂素的比值高时，有利于根的分化、抑制芽的形成，因此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，C正确；用同一植株体细胞离体培养获得的再生苗会出现变异，如在愈伤组织的培养过程中可能发生基因突变等变异，D错误。 5.(2021·湖北高考)月季在我国享有“花中皇后”的美誉。为了建立月季某新品种的快速繁殖体系，以芽体为外植体，在MS培养基中添加不同浓度的6－BA和IBA进行芽体增殖实验，芽分化率(%)结果如表。 6－BA/(mg·L－1) IBA/(mg·L－1) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 1.0 31 63 58 49 41 2.0 40 95 76 69 50 3.0 37 75 64 54 41 4.0 25 35 31 30 25 5.0 8 21 12 8 4 关于上述实验，下列叙述错误的是(　　) A.6－BA浓度大于4.0 mg·L－1时，芽分化率明显降低 B.6－BA与IBA的比例为10∶1时芽分化率均高于其他比例 C.在培养基中同时添加适量的6－BA和IBA，可促进芽分化 D.2.0 mg·L－1 6－BA和0.2 mg·L－1 IBA是实验处理中芽分化的最佳组合 解析：选B。由表可知，6－BA浓度从4.0 mg·L－1到5.0 mg·L－1时，芽分化率降低非常明显，故6－BA浓度大于4.0 mg·L－1时，芽分化率明显降低，A正确；据表可知，当6－BA与IBA的比例为10∶1时，芽分化率为31%、95%、64%、30%、4%，因此6－BA与IBA的比例为10∶1时，芽分化率不一定都高于其他比例，B错误； 6－BA与IBA的比例会影响芽的分化率，因此在培养基中同时添加适量的6－BA和IBA，可促进芽分化，C正确；该实验中最高的芽分化率为95%，此时6－BA和IBA分别为2.0 mg·L－1、0.2 mg·L－1，是实验处理中芽分化的最佳组合，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$