2.1植物细胞工程导学案-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

细胞工程 ——植物细胞工程 【学习目标】 1.概述植物组织培养和植物体细胞杂交技术的原理和过程 2.尝试进行植物组织培养 3.举例说明植物细胞工程的应用有效提高了生产效率 重难点：1.植物组织培养的原理和过程 2.植物体细胞杂交技术的原理 3.植物组织培养的实验 4.植物细胞工程应用的实例 【学习内容】 细胞工程： 细胞工程是指应用细胞生物学 、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、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得 特定的细胞、组织、器官、个体 或其产品的一门综合性生物工程。 植物细胞工程： 一、植物细胞工程的基本技术 细胞的全能性：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。 细胞具有全能性的原因(物质基础)：生物体的细胞中都含有该物种的全套遗传物质。 生物体生长发育过程中细胞不表现全能性的原因(不离体的细胞）：在特定的时间时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达 备注： 全能性大小比较： 植物细胞＞动物细胞 受精卵＞生殖细胞＞体细胞 分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞 分裂能力强的细胞＞分裂能力弱的细胞 幼嫩的细胞＞衰老的细胞 （一）植物组织培养技术 1.概念：植物组织培养是指将离体的植物器官、组织或细胞(称为外植体)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.原理：植物细胞的全能性 3.生殖方式：无性生殖 4.分裂方式：有丝分裂 5.过程： 脱分化：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：愈伤组织能重新分化成芽、根等器官的过程。 愈伤组织：已分化的细胞经过脱分化后形成的无定形状态的薄壁细胞团块。 探究.实践：菊花的组织培养 (1)原理 ①植物细胞一般具有全能性； ②在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化和再分化，形成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株； ③植物激素中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激素，它们的浓度、比例等都会影响植物细胞的发育方向。 生长素用量与细胞分裂素用来的比值 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 (2)材料用具 ①外植体：幼嫩的菊花茎段（常选择根尖分生区、茎的韧皮部形成层等分裂能力强、分化程度低的区域作为材料，容易诱导形成愈伤组织。） ②体积分数为70%的酒精：对手、超净工作台、外植体进行消毒。 ③质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液：对外植体进行消毒。 ④无菌水：清洗外植体。 ⑤培养基：包括无机营养成分(水和无机盐)、有机营养成分(蔗糖、氨基酸、维生素等)、特定浓度和比例的激素(主要是生长素和细胞分裂素)。 (3)方法步骤 ①消毒—②外植体切段—③接种—④脱分化—⑤再分化—⑥移栽培养 （4）注意事项： ①离体状态(最关键)； ②无菌操作； ③一定的营养条件； ④适宜浓度和比例的激素； ⑤适宜的外界条件； 例1：下列关于愈伤组织的说法中，不正确的是（　B　） A．愈伤组织的细胞能够进行细胞分裂 B．用叶培养形成的愈伤组织细胞能够进行光合作用 C．培养愈伤组织的培养基中应含有有机养料 D．愈伤组织是一种高度液泡化的薄壁细胞 例2：某种名贵植物通常用无性繁殖的方式进行繁殖，但容易将感染的病毒传给后代。某技术中心计划获取该种植物的脱毒苗，技术路线如图所示。下列叙述错误的是（  A  ） A．由愈伤组织到脱毒苗需要经过脱分化、再分化等过程 B．外植体可以选择该种植物的茎尖分生组织 C．制备培养基时需要在培养基中添加琼脂等成分 D．生长素/细胞分裂素的值较高时有利于根的分化 例3：野生石斛结实率低，可利用石斛叶片进行组织培养形成大量试管苗。下列有关说法正确的是（  D  ） A．需在70%乙醇中浸泡石斛叶片30 min进行消毒，以避免微生物污染 B．叶片先经过脱分化形成愈伤组织，再转移至液体培养基进行再分化形成根、芽 C．试管苗应该移栽到含有蔗糖和多种植物激素的基质上以适应外界环境 D．经组织培养得到的植株，一般不改变原石斛品种的基因组DNA (二)植物体细胞杂交技术 1.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； 2.原理：植物细胞的全能性、细胞膜具有一定的流动性 3.生殖方式：无性生殖 4.分裂方式：有丝分裂 5.可遗传变异类型：染色体(数目)变异 6.意义：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种 8.过程： ―→―→―→―→ (1)去除细胞壁 ①去壁原因：细胞壁阻碍着细胞间的杂交 ②方法：酶解法（纤维素酶和果胶酶） (2)原生质体间的融合 ①原理：细胞膜具有一定的流动性 ②方法：物理法：电融合法、离心法；化学法； 聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2+-高pH融合法 。 (3)再生出新的细胞壁——原生质体融合成功的标志 (4)植物组织培养——脱分化、再分化 ①原理：植物细胞的全能性 ②植物体细胞杂交完成的标志：培育出杂种植株 备注： ①两个不同品种的植物细胞A、B进行杂交，融合的原生质体不只有AB类型，还可能有AA融合的和BB融合的，需要经过筛选,选出AB融合的原生质体。 ②植物体细胞杂交属于无性生殖，而不是有性生殖。 ③杂种植株的变异类型是染色体数目变异，是异源多倍体。 例4：植物甲抗旱、抗病性强，植物乙分蘖能力强、结实性好。科研人员通过植物体细胞杂交技术培育出兼有甲、乙优良性状的植物丙，过程如下图所示。下列叙述错误的是（ B ） A. 过程①中酶处理的时间差异，原因可能是两种亲本的细胞壁结构有差异 B. 过程②中常采用灭活的仙台病毒或PEG诱导原生质体融合 C. 过程④和⑤的培养基中均需要添加生长素和细胞分裂素 D. 可通过分析植物丙的染色体，来鉴定其是否为杂种植株 例5：花椰菜易受黑腐病致病菌的危害而患黑腐病，野生黑芥具有黑腐病的抗性基因。用一定剂量的紫外线处理黑芥原生质体可使其染色体片段化并丧失再生能力，再利用此原生质体作为部分遗传物质的供体与完整的花椰菜原生质体融合，可获得抗黑腐病杂种植株。流程如下图，据 图分析下列叙述错误的是（  D  ）     A．过程②中常用的方法是物理法、化学法 B．原生质体融合成功的标志是再生出新的细胞壁 C．融合的活细胞中有无叶绿体存在，可作为初步筛选杂种细胞的依据 D．愈伤组织是一团高度液泡化、有特定形态的薄壁组织 二、植物细胞工程的应用 1.快速繁殖（微型繁殖） (1)概念：用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术； (2)优点：①可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖；②可以保持优良品种的遗传特性。 (3)实例：观赏植物、经济林木、无性繁殖作物、濒危植物。 2.作物脱毒 (1)适用范围无性繁殖的作物 (2)进行作物脱毒的原因：用无性繁殖的方式进行繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传给后代，病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低、品质变差。 (3)外植体选材部位：植物顶端分生区附近部位，如茎尖_。 (4)选分生区的原因：植物顶端分生区附近病毒极少，甚至无病毒。 (5)优点：脱毒作物的产量和品质明显优于没有脱毒的作物。 3.单倍体育种 (1)定义：通过花药(或花粉)培养获得单倍体植株，然后经过诱导染色体加倍，当年就能培育出遗传性状相对稳定的纯合二倍体植株。 (2)原理：染色体(数目)变异和植物细胞的全能性 (3)优点： ①大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力。 ②可作为进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料_。 4.突变体的利用 (1)过程： (2)诱变处理对象：一般为愈伤组织。 (3)原因：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，因此它们容易受到培养条件和诱变因素的影响而产生突变。 (4)原理：基因突变和植物细胞的全能性。 (5)优点：通过人工诱变提高愈伤组织的突变率，从而筛选获得抗病、抗盐、高产、优质的新品种，加快育种进程。 (6)缺点：突变具有不定向性和低频性，因此需大量处理实验材料 5.细胞产物的工厂化生产 (1)植物的代谢产物分类： ①初生代谢产物：糖类、脂质、蛋白质、核酸等。（初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动。） ②次生代谢产物：一类小分子有机化合物，如酚类、萜类和含氮化合物等。（次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行。） (2)细胞产物的工厂化生产的目标产物：次生代谢产物 (3)技术—植物细胞培养：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。 (4)细胞产物的工厂化生产的一般过程： (5)优点：不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。 例6：下列有关植物细胞工程应用的叙述，不正确的是（  A  ） A．利用组织培养技术培育脱毒苗，获得具有抗病毒的新品种 B．利用植物细胞培养获得的紫草素，实现了细胞产物的工厂化生产 C．利用培养的愈伤组织进行诱变育种，可以提高基因突变率，获得有用的突变体 D．利用植物体细胞杂交技术，能打破生殖隔离，实现远缘杂交育种 例7：兰州百合栽培过程中易受病毒侵染，造成品质退化。某研究小组尝试通过组织培养技术获得脱毒苗，操作流程如下图。下列叙述正确的是（ D ） A. ①为脱分化过程，1号培养基中的愈伤组织是排列规则的薄壁组织团块 B. ②为再分化过程，愈伤组织细胞分化时可能会发生基因突变或基因重组 C. 3号培养基用于诱导生根，其细胞分裂素浓度与生长素浓度的比值大于1 D. 百合分生区附近的病毒极少，甚至无病毒，可以作为该研究中的外植体 例8：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 ） 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 【巩固训练】 1.下图是利用三倍体香蕉的茎尖培养脱毒香蕉植株的过程示意图。下列叙述正确的是（　D　） A．过程①~③中发生了有丝分裂和减数分裂 B．对香蕉进行花药培养可获得单倍体 C．过程②为脱分化 D．X代表愈伤组织 2．拟采用“取材→消毒→愈伤组织培养→出芽→生根→移栽”的方法繁殖一种名贵花卉，下列有关叙述正确的是（  B  ） A．在愈伤组织培养基中加入细胞融合的诱导剂，可获得染色体加倍的细胞 B．消毒的原则是既要杀死材料表面的微生物，又减少消毒剂对细胞的伤害 C．出芽是外植体经细胞脱分化后再分化的结果，不受基因选择性表达的调控 D．诱导生长物分化生根和生芽后，可将试管苗直接进行移栽以适应外界环境 3.在下列过程中，需要采用植物组织培养技术的是（ D ） ①利用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，获得多倍体植株 ②用花药离体培养得到的单倍体植株 ③用基因工程培养抗棉铃虫的植株　 ④利用细胞工程培养“番茄马铃薯”杂种植株 　 ⑤无子西瓜的大量繁殖 A. ①②③④ B. ①③④⑤ C. ①②④⑤ D. ②③④⑤ 4.下列有关植物组织培养的叙述错误的是( B ) A. 植物组织培养过程中要注意细胞分裂素和生长素的适宜比例 B. 用纤维素酶和果胶酶处理获得的植物细胞原生质体失去了全能性 C. 同种植物的不同基因型个体的细胞全能性表达程度会大不相同 D. 同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织基因可能不同 5.某生物兴趣小组以西瓜5天龄幼苗子叶为外植体进行相关实验研究，得到如图所示的实验结果。下列相关叙述正确的是（ B ） A.实验开始前应对所用培养基和西瓜幼苗子叶进行灭菌处理 B.图示结果表明，诱导形成愈伤组织的最适暗处理时间在1~3周内 C.暗处理时间的长短对细胞脱分化率和再分化率的影响均不大 D.西瓜幼苗子叶脱分化形成愈伤组织的过程中细胞发生了分化 6．将不同来源的植物体细胞在一定条件下融合为杂种细胞，需要去除细胞壁并保留细胞活性。下列有关叙述错误的是（　B　） A．可选择纤维素酶和果胶酶去除细胞壁 B．细胞壁是植物细胞原生质层的一部分 C．细胞壁具有支持和保护细胞的作用 D．植物细胞具有细胞壁，动物细胞不具有 7．科研人员利用青菜（2n=20）幼嫩花粉与甘蓝型油菜（2n=38）下胚轴细胞为材料，试验了两种原生质体密度及比率对原生质体融合效果的影响，结果如下表。下列叙述正确的是（ B ） 下胚轴原生质体密度（104/mL） 花粉原生质体密度（104/mL） 比率 异源融合 下胚轴同源融合（%） 一对一融合（%） 一对二及以上融合（%） 15 15 1∶1 18.5 8.3 24.7 10 30 1∶3 24.6 16.2 20.5 7 42 1∶6 34.5 18.2 12.5 5 45 1∶9 33.0 17.1 7.0 A．该实验的自变量是两种原生质的密度 B．可通过加入过量的培养液终止原生质体融合 C．实验表明花粉原生质体占比越高，异源融合效率越高 D．某融合细胞的染色体数为58，说明该细胞是一对一异源融合细胞 8．胞质杂种是指两个原生质体融合产生的杂种细胞，其中一个细胞的细胞核消失后，两个原生质体的细胞质杂交得到的个体。科研人员利用雄性不育的品种A与可育的品种B通过植物体细胞杂交技术获得了雄性不育的胞质杂种“华柚2号”，制备过程如下图所示，其中GFP（绿色荧光蛋白）基因转入了品种A的细胞核基因组中。经检测，“华柚2号”的细胞核和叶绿体基因来自品种B，线粒体基因来自品种A，下列说法正确的是（　C　） A．上述过程包括有丝分裂、细胞分化、减数分裂等 B．杂种细胞的形成是植物体细胞杂交技术完成的标志 C．“华柚2号”的获得说明控制雄性不育的基因可能位于线粒体中 D．应筛选发绿色荧光的杂种细胞C经植物组织培养技术获得“华柚2号” 9.植物细胞工程包括植物组织培养、植物体细胞杂交等技术，具有广泛的应用前景和实用价值。下列对这些操作或应用描述错误的是（ D ） A. 可用PEG诱导植物原生质体融合，再生出细胞壁是融合成功的标志 B. 利用植物组织培养技术可大量获得人参皂甙干粉，且已投入规模化生产 C. 植物培养基中常用的植物生长调节剂一般可以分为生长素类、细胞分裂素类和赤霉素类 D. 获取植物原生质体时，需在蔗糖浓度高于细胞液浓度的缓冲液中进行，以使细胞发生质壁分离 10.甘薯由于具有增强免疫功能、防癌抗癌、抗衰老、防止动脉硬化等作用，故越来越被人们喜爱。但甘薯属于无性繁殖作物，同时又是同源六倍体，具有自交不育和杂交不亲和性，这使甘薯生产和育种存在诸多常规方法难于解决的问题。下列相关操作不合理的是（ B ） A. 用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，可以解决种苗用量大、成本高的问题 B. 利用茎尖分生组织培养脱毒苗，使植株具备抗病毒的能力，产品质量得到提高 C. 利用原生质体融合实现体细胞杂交，克服杂交不亲和，可以充分利用遗传资源 D. 利用培养的愈伤组织进行诱变育种，可以显著提高变异频率，有利于缩短育种年限 11.迷迭香酸具有多种药理活性。进行工厂化生产时，先诱导外植体形成愈伤组织，再进行细胞悬浮培养获得迷迭香酸，加入诱导剂茉莉酸甲酯可大幅提高产量。下列叙述错误的是（ B ） A. 迷迭香顶端幼嫩的茎段适合用作外植体 B. 诱导愈伤组织时需加入NAA和脱落酸 C. 悬浮培养时需将愈伤组织打散成单个细胞或较小的细胞团 D. 茉莉酸甲酯改变了迷迭香次生代谢产物的合成速率 12．辣椒素作为一种生物碱广泛用于食品保健、医药工业等领域。辣椒素的获得途径如图所示。回答下列问题：      (1)图中①和②分别表示辣椒组织培养中细胞的 和 过程，要获得脱毒苗，对外植体的取材要求是 ，理由是 。 (2)培养基中的生长素和细胞分裂素用量的比值 （填“高”或“低”）时，有利于生根。对培养基彻底灭菌时，应采取的灭菌方法是 。 (3)细胞产物工厂化生产是植物组织培养技术的重要应用。高产细胞系须在 （固体、液体）培养基中培养，再从中提取辣椒素。 【答案】(1) 脱分化（或去分化） 再分化 切取一定大小的茎尖组织 茎尖组织含病毒极少，甚至无病毒 (2) 高 高压蒸汽灭菌 (3)液体 13．下面为“番茄-马铃薯”的培育过程示意图，请据图回答下列问题：    (1)若运用传统有性杂交（即用番茄、马铃薯杂交）能否得到可育的杂种植株 原因是： 。 (2)在利用杂种细胞培育杂种植株的过程中，运用的技术手段是 ，依据的原理是 。 (3)过程①要用到酶为 ，与过程③密切相关的具有单层膜结构的细胞器为 过程④相当于 ，过程⑤相当于 ，其涉及的细胞分裂方式为 。 (4)柴油树种子含有的柴油是植物细胞的代谢产物，可用植物组织培养来实现柴油的工业化生产。若利用此技术，将柴油树细胞培养进行到 （填字母编号）阶段即可。 【答案】(1) 不能 不同物种的植物存在生殖隔离 (2) 植物组织培养 植物细胞的全能性 (3) 纤维素酶和果胶酶 高尔基体 脱分化 再分化 有丝分裂 (4) e 14.狼爪瓦松是一种具有观赏价值的野生花卉，其产生的黄酮类化合物可入药。狼爪瓦松野生资源有限，难以满足市场需求。因此，目前一般通过植物细胞工程进行培养，具体过程如图所示，其中的数字序号代表处理或生理过程。请回答下列相关问题： （1）图中②③过程培养获得植株乙所利用技术的细胞学原理是____________，利用植物组织培养技术获得植株乙的优点有____________（答出一点）。图中形成植株丁的过程中，PEG的作用是_______。 （2）进行植物组织培养前要对狼爪瓦松植株甲幼嫩的叶进行消毒处理，所用的试剂为体积分数为75%的酒精和_______。②③过程需要使用的植物激素主要为_______，它们的浓度、比例等都会影响植物细胞的发育方向。②③过程中通常需要光照的是_______（填序号）过程。 （3）黄酮类化合物是广泛分布于植物体内的细胞代谢产物。某同学认为利用细胞代谢产物的工业化生产黄酮类化合物主要是利用促进细胞生长的培养条件，来提高单个细胞中黄酮类化合物的含量，你同意该同学的观点吗？并说明相应的理由：_______。 【答案】（1）植物细胞具有全能性 可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖；保持优良品种的遗传特性 诱导原生质体融合 （2）（质量分数为10%左右的）次氯酸钠溶液（或0.1%氯化汞） 生长素和细胞分裂素 ③ （3）不同意。植物细胞代谢产物含量很低，利用细胞代谢产物的工业化生产黄酮类化合物主要是通过增加细胞数量来增加黄酮类化合物的产量 学科网（北京）股份有限公司 $$