第1节 第1课时 植物细胞工程的基本技术-【金版新学案】2024-2025学年高中生物选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019 不定项）

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.运用模型与建模、归纳与概括的方法，掌握植物组织培养和植物体细胞杂交的流程。　2.依据实验步骤，制订实验方案，完成菊花的组织培养操作。 知识点一　植物组织培养技术 1．细胞工程的概念 原理和方法 细胞生物学、分子生物学和发育生物学等 操作水平 细胞、细胞器或组织水平 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.细胞的全能性 (1)概念：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，即细胞具有全能性。 (2)原因：一般来说，生物体的每个细胞中都含有发育成为完整个体所需的全部遗传信息。 (3)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 ①实例：芽原基的细胞只能发育为芽，叶原基的细胞只能发育为叶。 ②原因：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。 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 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：愈伤组织能重新分化成芽、根等器官的过程。 (4)菊花的组织培养 学生用书第37页 [精通教材] 1．植物体的任何细胞都具有全能性，也都能表现出全能性吗？ 提示：植物细胞虽然具有全能性，但并不是所有细胞都能表达全能性，细胞全能性的表达需要一系列条件。 2．诱导生芽的培养基和诱导生根的培养基完全一样吗？ 提示：生长素与细胞分裂素的比值高时，有利于根的分化、抑制芽的形成；比值低时，有利于芽的分化、抑制根的形成，因此诱导生芽的培养基和诱导生根的培养基不完全相同。 任务　分析植物组织培养过程 观察菊花的组织培养流程图，思考下列问题： (1)选用菊花的外植体时，一般选用带有形成层细胞的组织块，其原因是什么？ 提示：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，不易培养成小植株。 (2)该实验中为何要进行一系列的消毒、灭菌并要求无菌操作？ 提示：防止细菌、真菌等微生物的污染。培养物一旦受到微生物的污染，这些微生物就会与外植体争夺培养基中的营养物质，且其部分代谢产物对外植体有害，可能导致外植体死亡。 (3)菊花组织培养过程中，诱导外植体脱分化形成愈伤组织的培养基，其成分中是否应含有蔗糖等有机物？为什么？ 提示：含有。此时外植体不能进行光合作用制造有机物，需要依赖环境中的有机物才能生存。 (4)菊花组织培养中，前后三次用到的培养基，其功能分别是什么？ 提示：第一次：诱导外植体脱分化形成愈伤组织；第二次：诱导愈伤组织生芽；第三次：诱导愈伤组织生根。 (5)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。 [核心归纳] 1．植物组织培养的条件：(1)离体；(2)无菌；(3)培养基(种类齐全、比例合适的营养物质及一定比例的植物激素)；(4)适宜的培养条件(温度、光照等)。 学生用书第38页 2.生长素和细胞分裂素用量的比例对植物细胞发育方向的影响 生长素/细胞分 裂素用量的比值 结果 比值高 有利于根的分化，抑制芽的形成 比值低 有利于芽的分化，抑制根的形成 比值适中 促进愈伤组织的形成 　　 3．植物组织培养过程中应注意的问题 (1)接种时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。若先诱导生根，则不易诱导生芽。 (3)植物组织培养中，愈伤组织的形成不需要光照，再分化过程中，需要一定量的光照。 (4)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，促进幼苗向自养苗转化。 应用1.如图表示生物兴趣小组以幼嫩的菊花茎段为材料，利用植物组织培养技术繁殖菊花过程中出现的不同结果。有关分析错误的是(　　) A．甲、乙、丙三组细胞内的遗传物质基本相同 B．乙组细胞的全能性高于甲组和丙组细胞 C．甲组经脱分化得到乙组，乙组经再分化得到丙组 D．不同结果的出现与植物激素的浓度和比例有关 答案：C 解析：植物组织培养是无性生殖过程，因此甲、乙、丙三组细胞内的遗传物质基本相同，A正确；乙组细胞为脱分化后的愈伤组织，甲组和丙组细胞均属于再分化后的细胞，所以乙组细胞全能性最高，B正确；培养过程是先脱分化形成愈伤组织，再分化形成茎、根等植物器官，C错误；培养基中生长素含量高于细胞分裂素时，愈伤组织先产生根，细胞分裂素含量高于生长素时，愈伤组织先产生芽，D正确。 应用2.(2024·福建厦门模拟)下列关于菊花组织培养的说法，正确的是(　　) A．实验所用器皿、培养基使用干热灭菌法进行灭菌 B．依次用无菌水、酒精、次氯酸钠溶液处理外植体 C．外植体经过脱分化、诱导生芽、诱导生根形成试管苗 D．为保证试管苗的成活率，应尽快转移至大田种植 答案：C 解析：植物组织培养需要无菌操作，防止杂菌污染，所用器械需灼烧灭菌，实验人员和外植体需消毒操作，实验所用器皿使用干热灭菌法进行灭菌，培养基使用高压蒸汽灭菌法进行灭菌，A错误；外植体先用自来水充分洗净，用酒精溶液消毒30 s后，立即用无菌水清洗2～3次，再用次氯酸钠溶液处理30 min后，立即用无菌水清洗2～3次，B错误；外植体经过脱分化形成愈伤组织，通过调节培养基中生长素和细胞分裂素的比例，诱导生芽、诱导生根形成试管苗，C正确；大田环境和实验室环境不同，为保证试管苗的成活率，应进行炼苗后再转移至大田种植，D错误。 植物组织培养过程中的无菌技术包括培养环境、培养基、培养器械的消毒灭菌和植物材料(外植体)的消毒，对培养材料进行表面消毒时，一方面要考虑药剂的消毒效果；另一方面要考虑植物材料的耐受能力。不同药剂、不同植物材料，甚至不同器官要区别对待。　　 应用3.(2024·江苏苏州高三期末)下列关于植物组织培养的叙述，正确的是(不定项)(　　) A.需要对外植体进行严格的灭菌处理，以防止杂菌污染 B．在培养过程中需要给予适宜的光照，以诱导脱分化过程 C．培养基中所添加的激素种类和含量对培养过程起重要的调节作用 D．同一株绿色开花植物不同部位细胞经培养获得的愈伤组织基因型可能不相同 答案：CD 解析：外植体一般只消毒，不进行灭菌处理，以保持外植体的活性，A错误；愈伤组织的诱导一般需要暗培养，B错误；培养基中所添加的激素种类和含量对培养过程起重要的调节作用，不同比例诱导的结果不一样，C正确；同一植株不同细胞经培养获得的愈伤组织基因型不一定相同，如花粉细胞培养形成的愈伤组织细胞的染色体数目只有体细胞的一半，D正确。 学生用书第39页 知识点二　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)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．意义：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。 [精通教材] 1．利用物理法或化学法可以直接诱导两个植物细胞融合吗？ 提示：不能，两个植物细胞需要先用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，获得具有活力的原生质体，再用物理法或化学法诱导原生质体融合。 2．植物原生质体融合的原理是植物细胞的全能性吗？ 提示：不是，植物原生质体融合的原理是细胞膜具有一定的流动性。杂种细胞经植物组织培养成杂种植株，体现了植物细胞的全能性。 任务　分析植物体细胞杂交过程 下图为植物体细胞杂交部分过程示意图，请思考回答： (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)细胞融合完成的标志和植物体细胞杂交完成的标志分别是什么？ 提示：杂种细胞再生出细胞壁。培育出杂种植株。 (3)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。 (4)二倍体番茄和二倍体马铃薯细胞杂交得到的“番茄—马铃薯”，是几倍体？ 提示：四倍体。 [核心归纳] 1．有关植物体细胞杂交的几个关注点 (1)植物体细胞融合的障碍：细胞壁。可以用纤维素酶和果胶酶去除。 (2)植物体细胞融合成功的标志为产生新的细胞壁。 学生用书第40页 在此过程中高尔基体与细胞壁的形成有关，该过程还需要细胞呼吸(主要是线粒体)提供能量。 (3)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植物细胞质的浓度，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。 (4)植物体细胞杂交的生殖方式：无性生殖。 2．植物体细胞杂交和有性杂交的辨析 应用1.(2024·贵州遵义模拟)下图是培育“番茄—马铃薯”杂种植株过程图，下列说法错误的是(　　) A．过程②诱导原生质体融合，依据的生物学原理是细胞膜具有流动性 B．②过程诱导原生质体融合的化学法包括聚乙二醇融合法、高Ca2+—高pH融合法 C．与过程③密切相关的具有单层膜结构的细胞器是高尔基体 D．上述得到的杂种植株是不可育的 答案：D 解析：过程②是把a、b两个原生质体融合在一起，所以称为原生质体融合，体现了细胞膜的流动性，A正确；诱导原生质体融合常用的化学方法是PEG(聚乙二醇)融合法、高Ca2+—高pH融合法，B正确；过程③是在融合的原生质体外再生一层细胞壁，而细胞壁的形成与高尔基体有关，C正确；由于番茄、马铃薯分别为四倍体、二倍体，因此植物体细胞杂交得到的“番茄—马铃薯”属于异源多倍体里面的异源六倍体(4＋2＝6)，减数分裂可以正常联会，则植株可能是可育的，D错误。 生物体内基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以“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，它们不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达。 　　 应用2.某二倍体药用植物甲(染色体组成为MM)含有有效成分A，二倍体药用植物乙(染色体组成为NN)含有有效成分B。科研小组拟培育同时含有A和B的新型药用植物，设计了如下实验流程。下列说法错误的是(　　) A．过程①通常用纤维素酶和果胶酶处理 B．过程②常使用聚乙二醇(PEG)作为诱导剂 C．融合细胞c的染色体组成都是MMNN D．过程④⑤分别涉及细胞的脱分化和再分化 答案：C 解析：过程①是去除植物细胞壁获得原生质体的过程，由于植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，根据酶的专一性，该过程需要用纤维素酶和果胶酶处理，A正确；植物原生质体的融合通常使用聚乙二醇(PEG)作为诱导剂，B正确；在进行原生质体融合时，会出现多种融合细胞，如染色体组成为MMMM、NNNN和MMNN的细胞，C错误；过程④⑤分别通过脱分化和再分化过程，进而形成试管苗，D正确。 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．染色体组数通常也是两亲本细胞染色体组数之和，形成异源多倍体。　　 学生用书第41页 思维导图 要语必背 1.植物组织培养的原理是植物细胞的全能性，要经过脱分化和再分化两个阶段。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的过程。再分化：愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。 2.植物体细胞杂交的过程包括：制备原生质体、诱导原生质体融合、杂种细胞再生出细胞壁、植物组织培养等。 3.去除细胞壁制备原生质体用到的酶是纤维素酶和果胶酶。 4.人工诱导原生质体融合的方法基本可以分为两大类——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。 1．利用植物的花瓣就能培育出完整的植株，下列叙述错误的是(　　) A．组成花瓣的细胞具有发育的全能性 B．因为花瓣细胞中有个体发育所需的全套遗传物质 C．利用花瓣培育出完整的植株涉及细胞分裂和细胞分化 D．在生物的生长发育过程中，细胞也能表现出全能性 答案：D 解析：花瓣属于植物的体细胞，因其细胞中具有个体发育所需的全套遗传物质，所以花瓣细胞具有发育的全能性，A、B正确；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，而是细胞中的基因会选择性表达，由花瓣培育出完整植株，其前提是花瓣必须离体培养，且处于适宜条件，在培养过程中涉及细胞分裂和细胞分化，C正确，D错误。 2．(2024·江苏淮安高二期末)下列关于植物组织培养的叙述，错误的是(　　) A．用于植物组织培养的外植体就是指离体培养的植物器官、组织或细胞 B．脱分化的实质是通过基因的选择性表达改变细胞的结构和功能 C．培养基中添加蔗糖的目的只是提供营养物质 D.进行植物组织培养时，常常需要添加植物激素，但是菊花茎段的组织培养比较容易，可以不必添加植物激素 答案：C 解析：用于植物组织培养的外植体就是指离体培养的植物器官、组织或细胞，外植体应选择分裂旺盛的部分，如根尖、茎尖等，A正确；脱分化是由外植体形成愈伤组织的过程，该过程的实质是通过基因的选择性表达改变细胞的结构和功能，B正确；培养基中添加蔗糖的目的是提供营养，同时调节渗透压，维持细胞正常形态，C错误；植物组织培养时，常常需要添加植物激素，但是菊花茎段的组织培养比较容易，可以不必添加植物激素，D正确。 3．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织培养需要用适宜浓度的乙醇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．再生植株需要去除根部残留的培养基进行锻炼后才能移种大田 D．试管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 答案：C 解析：自然生长茎段的消毒属于外植体消毒，先用体积分数为70%的酒精消毒，用无菌水清洗，再用质量分数为5%的次氯酸钠溶液处理，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；试管苗生存能力较弱，需要进行锻炼后才能移种大田，C正确；采用蛭石作为栽培基质的原因是蛭石保水透气，蛭石不含营养，D错误。 4．玉米(2n＝20)和水稻(2n＝24)均为二倍体植物，某实验小组拟用体细胞杂交技术培育富含β-胡萝卜素的“黄金大米”植株，过程设计如图所示。下列说法错误的是(　　) 学生用书第42页 A．过程①需使用纤维素酶和果胶酶处理细胞 B．过程②中常用PEG诱导原生质体融合 C．“黄金大米”植株染色体数目为22 D．该技术体现了植物细胞具有全能性 答案：C 解析：过程①是获得原生质体，需去除植物的细胞壁(主要由纤维素和果胶组成)，因此需使用纤维素酶和果胶酶处理细胞，A正确；过程②中常用PEG诱导原生质体融合，是一种化学诱导法，B正确；“黄金大米”植株是两种植株的融合体，染色体数目为44，C错误；该技术将杂种细胞培育成“黄金大米”植株，体现了植物细胞具有全能性，D正确。 5．(2024·辽宁沈阳三模)大田种植的油菜容易被胞囊线虫侵染造成减产，而萝卜不容易被胞囊线虫侵染，通过研究发现，萝卜具有抗线虫病基因。科研人员利用萝卜和油菜为亲本进行体细胞杂交，获得了抗线虫病的杂种植株，具体操作流程如图所示。下列叙述正确的是(不定项)(　　) A．过程①需要用纤维素酶和胶原蛋白酶处理萝卜和油菜细胞 B．过程②使用的化学法是PEG融合法、高Ca2+—高pH融合法等 C．过程③需要照光培养，过程④不需要照光培养 D．可通过接种胞囊线虫对杂种植株进行个体水平的鉴定 答案：BD 解析：植物细胞壁的成分是纤维素和果胶，因此，过程①需要用纤维素酶和果胶酶处理萝卜和油菜细胞，进而获得原生质体，A错误；过程②使用的化学法是PEG融合法、高Ca2+—高pH融合法等，其目的是促进细胞的融合，B正确；过程③为脱分化过程，不需要光照，叶绿素的合成需要光照，因此过程④，即再分化过程中需要进行适当的光照以促进细胞中叶绿素的合成，C错误；从个体生物学水平上鉴定时，可对杂种植株接种胞囊线虫，若能存活，说明其能抗线虫病，D正确。 6．(创新情境)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。诱导原生质体融合的方法有多种，常用的化学方法是________________________________(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________。 (2)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________________________________________________________________。 (3)植物体细胞杂交技术和传统杂交技术相比的优点是_________________________。 答案：(1)纤维素酶和果胶酶　聚乙二醇(PEG)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　(2)19　秋水仙素　染色体变异　(3)打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种 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。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(PEG)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。(2)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处理幼苗使其染色体加倍，这种变异属于染色体变异。(3)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。 学科网（北京）股份有限公司 $$