第2章 第1节 第1课时 植物细胞工程的基本技术(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年高中生物选择性必修3（人教版2019 多选）

第1节　植物细胞工程 第1课时　植物细胞工程的基本技术 学习目标 1.简述植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术的原理和过程 科学思维 2.尝试进行植物组织培养 科学探究 一、植物组织培养 1．细胞工程的定义 2．植物细胞工程的理论基础——植物细胞的全能性 3．植物组织培养技术 (1)定义：指将离体的植物器官、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)过程 ―→ 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：脱分化形成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．实验——菊花的组织培养 二、植物体细胞杂交技术 1．概念：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。 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)人工诱导原生质体融合的方法 ①物理法：电融合法、离心法等。 ②化学法：聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。 3．植物体细胞杂交的原理 原生质体融合的过程利用了细胞膜的流动性，杂种细胞发育成杂种植株利用了植物细胞的全能性。 4．意义：打破生殖隔离、实现远缘杂交育种，培育植物新品种。 植物组织培养是21世纪发展起来的一门新技术，由于科学技术的进步，尤其是外源激素的应用，使组织培养不仅从理论上为相关学科提出了可靠的实验证据，而且一跃成为一种大规模、批量工厂化生产种苗的新方法，并在生产上越来越得到广泛的应用。结合所学知识判断： (1)植物组织培养技术的理论基础是植物细胞的全能性(√) (2)植物激素中的生长素和赤霉素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素(×) (3)植物体细胞杂交利用了植物组织培养技术(√) (4)植物体细胞杂交就是利用一定的方法将去除细胞壁的不同来源的植物细胞融合为杂种细胞的过程(×) (5)若原生质体均为两两融合，则融合后的细胞有3种类型(√) 　　　　　　　　　　　　　　探究点一　植物组织培养技术 观察菊花植物组织培养流程图，探究下列问题： (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　由于形成层细胞分裂旺盛，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)植物组织培养所用的培养基中，在脱分化和再分化中起关键作用的激素是什么？ 提示　细胞分裂素和生长素。 (3)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。 (4)在植物组织培养的过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？ 提示　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。 1．植物细胞要表现出全能性，需要同时满足哪些主要条件？ 提示　①离体；②人工配制的培养基；③适宜的培养条件；④无菌等。 2．脱分化和再分化都属于细胞的分化过程吗？为什么？ 提示　再分化属于细胞的分化过程，脱分化不属于细胞分化的过程，而是摆脱分化恢复未分化状态。 1．植物激素在植物组织培养中的作用 (1)生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性因素。 (2)生长素和细胞分裂素的比例影响植物细胞的发育方向。 生长素/细胞分裂素 作用效果 比值高时 促进根的分化、抑制芽的形成 比值低时 促进芽的分化、抑制根的形成 比值适中 促进愈伤组织的形成 2.脱分化和再分化的比较 项目 脱分化 再分化 过程 外植体→愈伤组织 愈伤组织→幼苗 需要条件 ①离体； ②适宜的营养； ③生长素与细胞分裂素的比例适中； ④不需光照 ①离体； ②适宜的营养； ③生长素与细胞分裂素的比值高(低)，诱导生根(生芽)； ④需光照 (1)细胞具有全能性≠细胞表现全能性。理论上，几乎所有的活细胞都具有全能性，但是只有发育为完整个体或分化成其他各种细胞才能体现其全能性。 (2)培养顺序：将愈伤组织转接到分化培养基上，要先进行生芽培养，再进行生根培养，最终诱导出试管苗。　 1．植物细胞表现出全能性的必要条件和增殖方式分别是(　　) A．脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件；减数分裂 B．导入其他植物细胞的基因；有丝分裂 C．将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内；减数分裂 D．脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件；有丝分裂 解析　植物细胞表现全能性的条件：①离体的器官、组织或细胞和适宜的外界条件；②一定的营养(无机、有机成分)和植物激素。植物细胞经组织培养形成植物体，包括脱分化和再分化两个重要的过程，在这两个过程中细胞都是通过有丝分裂方式进行增殖的。 答案　D 2．(2023·新课标卷)根瘤菌与豆科植物之间是互利共生关系，根瘤菌侵入豆科植物根内可引起根瘤的形成，根瘤中的根瘤菌具有固氮能力。为了寻找抗逆性强的根瘤菌，某研究小组做了如下实验：从盐碱地生长的野生草本豆科植物中分离根瘤菌；选取该植物的茎尖为材料，通过组织培养获得试管苗(生根试管苗)；在实验室中探究试管苗根瘤中所含根瘤菌的固氮能力。回答下列问题。 (1)从豆科植物的根瘤中分离根瘤菌进行培养，可以获得纯培养物，此实验中的纯培养物是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)取豆科植物的茎尖作为外植体，通过植物组织培养可以获得豆科植物的试管苗。外植体经诱导形成试管苗的流程是：外植体①,愈伤组织②,试管苗。其中①表示的过程是__________，②表示的过程是________。由外植体最终获得完整的植株，这一过程说明植物细胞具有全能性。细胞的全能性是指________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)研究小组用上述获得的纯培养物和试管苗为材料，研究接种到试管苗上的根瘤菌是否具有固氮能力，其做法是将生长在培养液中的试管苗分成甲、乙两组，甲组中滴加根瘤菌菌液，让试管苗长出根瘤。然后将甲、乙两组的试管苗分别转入________的培养液中培养，观察两组试管苗的生长状况，若甲组的生长状况好于乙组，则说明________________________________________________________________________。 (4)若实验获得一种具有良好固氮能力的根瘤菌，可通过发酵工程获得大量根瘤菌，用于生产根瘤菌肥。根瘤菌肥是一种微生物肥料，在农业生产中使用微生物肥料的作用是________________________________________________________________________________________________________________________________________________(答出2点即可)。 解析　(1)在微生物学中将接种于培养基内，在合适条件下形成的含特定种类微生物的群体称为纯培养物。由单一个体繁殖所获得的微生物群体。对于本实验来说就是根瘤菌繁殖得到的单菌落。 (2)植物组织培养的过程先是脱分化形成愈伤组织，后再分化形成试管苗。细胞全能性是指细胞经分裂和分化后，仍具有产生完整有机体或分化成其他各种细胞的潜能和特性。 (3)控制变量，因为甲组和乙组的区别是固氮菌，所以要保证培养液中没有氮源，探究的是接种到试管菌上的根瘤菌是否具有固氮作用，如果甲长得好，说明接种到试管菌上的根瘤能具有固氮作用。 (4)微生物肥料除了能够促进植物生长，起到肥料的作用之外，能够减少化肥的使用，改良土壤，保护环境。 答案　(1)根瘤菌单菌落　(2)脱分化　再分化细胞经分裂和分化后，仍具有产生完整有机体或分化成其他各种细胞的潜能和特性　(3)无氮　接种到试管苗上的根瘤菌具有固氮作用　(4)①促进植物生长，增加作物产量；②能够减少化肥使用，改良土壤，减少污染，保护生态环境 探究点二　植物体细胞杂交 下图为植物体细胞杂交过程示意图，探究下列问题： (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)将两个不同种的植物细胞A和B去除细胞壁后，经一定的方法促融，若只考虑两两融合，可以形成几种融合细胞？符合要求的杂种细胞是哪种？ 提示　3种(AA、BB、AB)　AB (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　四　四 (4)通过体细胞杂交获得的植株是否可育？说出你的理由。 提示　可育，通过体细胞杂交获得的植株为异源四倍体，含有同源染色体，可以正常联会。 (5)从新品种培育的角度分析，植物体细胞杂交技术最大的优点是什么？ 提示　打破生殖隔离，使不同种植物杂交成为可能。 1．植物组织培养与植物体细胞杂交的比较 项目 植物组织培养 植物体细胞杂交 原理 植物细胞的全能性 细胞膜的流动性和植物细胞的全能性 过程 结果 完整植株 杂种植株 意义 繁殖速度快、“高保真”、不受自然生长季节限制 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种 (1)植物体细胞杂交技术包括植物细胞融合和植物组织培养两个过程，结果是产生新的植株。 (2)植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖溶液且浓度略大于原生质体内的浓度，这样不仅能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．杂种植株遗传物质的变化 (1)细胞融合属于染色体变异，杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数之和。 (2)杂种植株的染色体组数通常也是两亲本细胞染色体组数之和，为异源多倍体。 3．(2023·广东卷)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　在细胞融合前，必须先用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，再诱导原生质体融合，A正确；人工诱导原生质体融合有物理法和化学法，用高Ca2＋—高pH溶液可促进细胞融合，B正确；融合的细胞中有人参根—人参根细胞、人参根—胡萝卜根细胞、胡萝卜根—胡萝卜根细胞，只有人参根—胡萝卜根细胞才是杂交细胞，C错误；杂交细胞含两种细胞的遗传物质，可能具有生长快速的优势，D正确。 答案　C 4．(不定项)甲、乙是染色体数目相同的两种二倍体药用植物，甲含有效成分A，乙含有效成分B。某研究小组拟培育同时含有A和B的新型药用植物。下列叙述正确的是(　　) A．为了培育该新型药用植物，取甲和乙的叶片，先用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁 B．用化学诱导剂PEG或高Ca2＋—高pH诱导二者融合 C．形成的融合细胞进一步培养形成愈伤组织，之后形成整个植株，这一过程中进行了植物组织培养 D．上述杂种植株属于二倍体 解析　植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，根据酶的专一性原理，利用纤维素酶和果胶酶可以除去植物细胞壁，获得具有活力的原生质体，A正确；诱导原生质体融合可用化学诱导剂PEG或高Ca2＋—高pH等方法，B正确；形成的融合细胞经植物组织培养，脱分化形成愈伤组织，之后形成植株，C正确；甲、乙都是二倍体，体细胞杂交得到的是异源四倍体，D错误。 答案　ABC 植物体细胞杂交后代的遗传变化 项目 体细胞杂交　P1：2n(Aabb)与P2：2m(ccDd) 生殖类型 无性生殖、育种过程中不遵循孟德尔定律 变异类型 染色体数目变异 染色体数 两亲本染色体数之和，即2n＋2m 染色体组数 两亲本染色体组数之和，即2＋2 基因组成 两亲本基因型之和，即AabbccDd [课堂小结] [课堂巩固] 1．下列植物组织细胞，在条件适宜的情况下，最易表达其全能性的是(　　) 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　细胞的全能性由大到小依次是受精卵、生殖细胞、体细胞。 答案　C 2．下图为植物组织培养技术的过程，有关说法不正确的是(　　) A．乙试管中细胞全能性最高 B．丁试管中培育出的个体都是纯合子 C．甲→乙的过程需要激素的刺激 D．甲→丁的细胞分裂都是有丝分裂 解析　该过程中愈伤组织的细胞全能性最高，A正确；丁试管中是否为纯合子取决于所选外植体的基因型，B错误；甲→乙为愈伤组织的形成过程，愈伤组织的形成需要激素的刺激，C正确；甲→丁只发生有丝分裂，不发生减数分裂，D正确。 答案　B 3．植物组织培养可以形成愈伤组织，下列有关愈伤组织的叙述不正确的是(　　) A．愈伤组织是离体细胞经过脱分化形成的 B．形成愈伤组织的培养基不含有机分子 C．愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构 D．愈伤组织细胞的线粒体和核糖体中可能发生碱基互补配对 解析　愈伤组织是离体细胞经过脱分化形成的，A正确；形成愈伤组织的培养基含有机分子，B错误；愈伤组织经过再分化可以形成具有生根发芽能力的胚状结构，C正确；线粒体中可进行DNA复制、转录和翻译，核糖体中可进行翻译，故愈伤组织细胞的线粒体和核糖体中可能发生碱基互补配对，D正确。 答案　B 4．(不定项)植物体细胞杂交已解决的问题是(　　) A．去除细胞壁，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　ABD 5．白菜、甘蓝均为二倍体，体细胞染色体数目分别为20、18。白菜—甘蓝是用细胞工程的方法培育出来的蔬菜新品种，它具有生长期短、耐热性强、易储存等优点，如图为“白菜—甘蓝”的培育过程，请回答下列问题： (1)为了得到原生质体，需先用________处理白菜和甘蓝的细胞。 (2)诱导原生质体融合的方法有多种，常用的化学方法是________(填写中文名称，写出两种即可)，融合完成的标志是________。由杂种细胞得到白菜—甘蓝植株还需经过植物组织培养，其中不需要光照的培养过程为_________________________________________________。 (3)经花粉直接培育的白菜—甘蓝植株，体细胞的染色体数为________。这种植株通常不育，为使其可育，需进行人工诱导，通过对幼苗使用________进行处理，这种变异属于________。 (4)植物体细胞杂交技术和传统杂交技术相比的优点是________。 解析　(1)植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，可使用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，得到原生质体。(2)诱导原生质体融合的物理法包括电融合法、离心法等；化学法包括聚乙二醇融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。融合完成的标志是形成的杂种细胞再生出新的细胞壁。将杂种细胞培育成杂种植株还需要使用植物组织培养技术，包括脱分化和再分化两个阶段，其中脱分化过程一般不需要光照，再分化过程要给予适当光照。(3)经花粉直接培育的白菜—甘蓝植株，体细胞的染色体数为(20＋18)÷2＝19，不含同源染色体，这种植株通常不育，为使其可育，可通过使用秋水仙素使其染色体加倍，这种变异属于染色体变异。(4)植物体细胞杂交技术和传统杂交技术相比的优点是打破生殖隔离、实现远缘杂交育种，培育植物新品种。 答案　(1)纤维素酶、果胶酶　(2)聚乙二醇融合法、高Ca2＋—高pH融合法　形成的杂种细胞再生出新的细胞壁　脱分化　(3)19　秋水仙素　染色体变异　(4)打破生殖隔离、实现远缘杂交育种，培育植物新品种 学科网（北京）股份有限公司 $$