内容正文:
第一节
植物细胞工程
第二章 细胞工程
学习目标
1.概述植物组织培养的原理和过程。
2.概述植物体细胞杂交的原理和过程。
一、植物组织培养技术
内容索引
课时对点练
二、植物体细胞杂交技术
一
植物组织培养技术
4
教材梳理
1.概念
细胞全能性
离体
无菌
完整植株
2.具体步骤
原生质体
次氯酸钠溶液
无菌水
生长、分化
无菌
氮源
植物激素
发育途径
分化
分生
薄壁
分裂
诱导分化
胚状体
相对浓度
pH
3.流程图(以某种植物茎尖为外植体的组织培养为例)
生根
接种
愈伤组织
生芽
4.天竺葵的组织培养
母液
1/5~1/4
瓶口
或瓶壁上
高压蒸汽灭菌锅
彻底灭菌
幼嫩
70%
氯化汞
叶脉
外植体
6~8
灼烧
交叉污染
生芽
生根
光照
蛭石或珍珠岩
(1)脱分化和再分化是植物组织培养的重要过程( )
(2)由于植物所有的体细胞都来源于受精卵的有丝分裂,所以在植物个体发育的过程中,所有的细胞都能表现出全能性( )
(3)诱导生芽的培养基和诱导生根的培养基完全一样( )
(4)脱分化过程一般不需要光照,再分化过程需要光照( )
√
×
×
√
判断正误
12
任务一:植物组织培养原理与过程分析
1.植物组织培养的理论基础是细胞的全能性,植物细胞具有全能性的原因是含有生物生长发育所需的全套遗传信息。来自同一植物体的分化程度不同的体细胞所含遗传信息是否相同?全能性大小是否相同?
核心探讨
提示 所含遗传信息相同;全能性大小一般不相同,分化程度低的细胞的全能性大于分化程度高的细胞。
2.如图是植物组织培养的基本过程图,回答下列问题:
(1)在植物组织培养过程中,为什么要进行一系列的消毒、灭菌,并且要求无菌操作?
提示 避免杂菌在培养基上迅速生长消耗营养,且有些杂菌会危害培养物的生长。
(2)②⑤培养基中生长素和细胞分裂素的浓度关系是怎样的?
提示 ②培养基中生长素和细胞分裂素浓度比值相当;
⑤培养基中生长素和细胞分裂素浓度比值较低。
(3)⑤愈伤组织分化出芽之后应如何操作?
提示 应更换生根培养基,给予适宜光照诱导生根。
(4)⑥培养基中的试管苗能不能直接移栽到大田土壤中?应如何操作?目的是什么?
提示 不能;应炼苗后再移栽;目的是使幼苗逐渐适应自然环境,以保证幼苗移栽到大田能顺利成活。
核心归纳
1.不同细胞全能性的大小
(1)体细胞全能性:分化程度低的>分化程度高的,细胞分裂能力强的>细胞分裂能力弱的。
(2)不同细胞的全能性:受精卵>生殖细胞>体细胞。
(3)不同生物的细胞全能性:植物细胞>动物细胞。
核心归纳
2.体现细胞全能性的条件
材料 离体的植物器官、组织、细胞或原生质体
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
外界条件 ①无菌操作;
②光照:诱导愈伤组织脱分化时一般不需要光照,再分化时需要光照
1.不同细胞的全能性高低不同,下列有关细胞全能性大小的比较,正确的是
A.一般细胞分裂能力越弱,细胞全能性越高
B.一般情况下,干细胞的全能性高于体细胞
C.韧皮部细胞的全能性高于形成层细胞
D.衰老细胞的全能性高于幼嫩细胞
√
典题应用
一般细胞分裂能力越强,其全能性越高,A错误;
韧皮部细胞属于成熟细胞,形成层细胞为幼嫩细胞,因此韧皮部细胞的全能性低于形成层细胞,C错误;
一般情况下,干细胞的全能性高于体细胞,幼嫩细胞的全能性高于衰老细胞,B正确,D错误。
2.(2023·镇江高二检测)科研人员利用植物组织培养技术研究了甘薯茎尖大小对诱导分化苗的影响,结果如表所示,下列相关叙述错误的是
A.培养基中需要添加蔗糖,
其目的是为植物细胞提供
营养,同时调节渗透压
B.根据培养阶段的不同要调
整培养基中激素比例
C.外植体接种时,在酒精灯火焰旁将茎段任意方向插入培养基
D.“大于0.6 mm”大小的茎尖有利于培养分化甘薯苗
茎尖大小/mm 外植体数/个 分化苗数/苗
小于0.3 mm 20 1
0.3 ~0.5 mm 20 10
大于0.6 mm 20 13
√
不同阶段的培养基中细胞分裂素和生长素的比例不同,B正确;
外植体接种时,在酒精灯火焰旁应将茎段基部插入培养基,利于吸收水分和养分,C错误;
由表格数据分析可知,“大于0.6 mm”大小的茎尖产生的分化苗数量最多,有利于培养分化甘薯苗,D正确。
茎尖大小/mm 外植体数/个 分化苗数/苗
小于0.3 mm 20 1
0.3 ~0.5 mm 20 10
大于0.6 mm 20 13
二
植物体细胞杂交技术
23
教材梳理
1.概念:植物体细胞杂交技术主要是指将自发或人工融合的__________培育成新品种 的技术。
杂种细胞
植物体
2.过程
杂种细胞AB
细胞壁
细胞壁
(1)去壁:用 去除植物细胞壁,获得原生质体。
(2)原生质体的融合
①自发融合
缺点:效率比较 。
②诱导融合
a.优点:效率 且对原生质体伤害 。
纤维素酶和果胶酶
低
高
小
3.原理
(1)原生质体融合的过程利用了细胞质膜的 性。
(2)杂种细胞发育成杂种植株利用了植物细胞的 。
4.意义:可以克服不同种植物之间杂交的 障碍,打破 ,实现远缘物种之间的 ,再通过培养便可获得新品种植株。
5.问题:杂种后代遗传性状 、再生植株寿命 。
流动
全能性
不亲和
生殖隔离
核质融合
不够稳定
较短
(1)植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种细胞( )
(2)植物体细胞杂交过程利用了植物组织培养技术( )
(3)若原生质体均为两两融合,则融合后的细胞有3种类型( )
(4)经植物体细胞杂交技术获得杂种植株的过程,发生了染色体数目变异( )
×
√
√
√
判断正误
28
核心探讨
任务二:植物体细胞杂交问题的分析
1.白菜、甘蓝均为二倍体植物,体细胞染色体数目分别为20、18。科研人员以白菜为母本、甘蓝为父本,经人工授粉后,将雌蕊离体培养,可得到“白菜—甘蓝”杂种幼苗A;取白菜体细胞及甘蓝体细胞经植物体细胞杂交得到杂种幼苗B。请回答下列问题:
(1)杂种幼苗A是几倍体?是否可育?为什么?
提示 杂种幼苗A是(异源)二倍体;不可育;因为没有同源染色体,减数分裂时联会紊乱,不能产生可育配子。
(2)获得杂种幼苗B的过程中要使白菜、甘蓝的原生质体融合,两两融合的细胞中染色体数目是多少?
提示 染色体数目为40条或38条或36条。
(3)杂种幼苗B是几倍体?是否可育?
提示 杂种幼苗B是(异源)四倍体;可育。
(4)若白菜基因型为Aabb、甘蓝基因型为ccDd,则杂种幼苗B的基因型是什么?
提示 杂种幼苗B的基因型是AabbccDd。
2.植物体细胞杂交过程中,培养基中往往加入蔗糖且浓度略大于原生质体内的浓度,试分析其原因是什么?
提示 一方面为原生质体提供营养,另一方面维持一定的渗透压,使原生质体保持正常的形态。
典题应用
3.(多选)实验人员利用矮牵牛(二倍体,2n=14)的红色花瓣细胞(液泡呈红色)与枸杞(四倍体,4n=48)叶肉细胞,制备了相应的原生质体,并诱导其融合,经筛选、培养获得杂种植株。下列有关叙述正确的是
A.获得该杂种植株时需要考虑两种高等植物间的生殖隔离问题
B.可利用聚乙二醇、灭活的病毒等方法诱导原生质体融合
C.可利用光学显微镜观察,筛选出杂种原生质体
D.若原生质体均为两两融合,则融合后的细胞中染色体数目不都为62条
√
√
植物体细胞杂交获得杂种植株克服了远缘杂交不亲和的障碍,故获得该杂种植株时不用考虑两种高等植物间的生殖隔离问题,A错误;
诱导植物原生质体融合时,可以采用物理方法(如电融合等)和化学方法(如聚乙二醇等),B错误;
杂种原生质体同时含有红色液泡和叶绿体,同种原生质体融合得到的细胞仅有红色液泡或叶绿体,所以可利用显微镜筛选得到融合后的杂种原生质体,C正确;
若原生质体均为两两融合,则会形成3种细胞,即矮牵牛细胞自身融合的细胞、枸杞细胞自身融合的细胞、杂种细胞,所以融合后的细胞中染色体数目为28条或96条或62条,D正确。
4.如图为甲种植物细胞和乙种植物细胞的结构(仅显示细胞核),下列有关叙述错误的是
A.乙种植物能产生4种不同类型的花粉
B.将甲、乙两种植物杂交得到的植物为二倍体,可育
C.用纤维素酶和果胶酶可以去除植物细胞的细胞壁
D.经植物体细胞杂交得到的植物为四倍体,基因型为DdYyRr
√
甲、乙是2个不同物种的植物,杂交得到的植物为(异源)二倍体,没有同源染色体,减数分裂时由于联会紊乱,不能产生可育配子,因此不可育。
网络构建
课时对点练
三
36
题组一 细胞的全能性
1.以下能证明植物细胞具有全能性的生产实践是
A.从一粒菜豆种子长成一棵植株
B.用植物激素培育无子果实
C.用一小片土豆叶片,培养成一株完整的植株
D.杂交育种
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一粒菜豆种子具有胚芽、胚轴、胚根,因此一粒菜豆种子长成一棵植株不能体现植物细胞的全能性,A不符合题意;
用植物激素培育无子果实体现了植物激素能促进果实发育的作用,但不能体现植物细胞的全能性,B不符合题意;
用一小片土豆叶片培育出一棵完整植株需采用植物组织培养技术,而植物组织培养的原理是植物细胞的全能性,C符合题意;
杂交育种培育出优良作物新品种的原理是基因重组,不能体现植物细胞的全能性,D不符合题意。
16
2.利用植物的花瓣就能培育出完整的植株,下列相关叙述不正确的是
A.组成花瓣的细胞具有全能性
B.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的过程涉及细胞分裂和细胞分化
D.在生物的生长发育过程中,细胞都能表现出全能性
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花瓣细胞属于植物的体细胞,因其细胞中具有个体发育所需的全套遗传物质,所以花瓣细胞具有全能性,A、B正确;
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,由花瓣培育出完整植株,其前提是花瓣必须离体培养,且处于适宜的培养条件下,在培养过程中涉及细胞分裂和细胞分化,C正确,D错误。
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题组二 植物组织培养技术
3.下列关于影响植物组织培养的因素的叙述,错误的是
A.幼嫩组织较成熟组织易培养成功
B.给离体幼茎消毒需要用到氯化汞溶液
C.植物组织培养需要适宜的温度环境
D.生长素与细胞分裂素的含量比值较高时,有利于芽的形成
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幼嫩组织细胞的分化程度较成熟组织细胞的低,因此幼嫩组织较成熟组织易培养成功,A正确;
植物组织培养时需要用体积分数为70%的酒精和质量分数为0.1%的氯化汞溶液对离体幼茎进行消毒,B正确;
生长素与细胞分裂素的含量比值较高时,有利于根的形成,D错误。
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4.下列有关植物组织培养技术的操作,正确的是
A.培养基在使用之前要放在烤箱中高温干热灭菌
B.接种操作可在普通房间的酒精灯火焰旁进行
C.解剖刀在火焰上灼烧后需冷却后才能用于切割外植体
D.外植体用化学试剂消毒后需经自来水多次冲洗后才可用于接种
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培养基在使用之前应进行高压蒸汽灭菌,A错误;
接种操作应在接种室或接种台的酒精灯火焰旁进行,B错误;
解剖刀在火焰上灼烧后需冷却后才能用于切割外植体,避免高温导致细胞死亡,C正确;
外植体用化学试剂消毒后需经无菌水漂洗4~6次后才可用于接种,D错误。
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5.如图为植物组织培养技术的流程图,下列相关说法错误的是
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A.植物组织培养过程需细胞分裂素和生长素共同调节
B.②试管中细胞全能性最高
C.①→②、②→③分别是脱分化和再分化过程
D.①→④过程培养基成分保持不变
√
植物组织培养过程需细胞分裂素和生长素共同调节,细胞分裂素和生长素的比例不同,愈伤组织分化的方向也不同,A正确;
①试管中为高度分化的组织细胞,②试管中细胞为脱分化形成的愈伤组织细胞,具有较高的全能性,③试管中为愈伤组织再分化后形成的幼体,所以②试管中细胞全能性最高,B正确;
由上述分析可知,①→②、②→③分别是脱分化和再分化过程,脱分化和再分化过程中所用的培养基不同,C正确,D错误。
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6.用MS培养基培养紫杉愈伤组织时需加入IAA和6-BA,两种物质对细胞内紫杉醇含量的影响如表所示。下列说法正确的是
A.愈伤组织有分裂能力,但无分
化能力
B.愈伤组织是一种高度液泡化的
呈固定形态的薄壁细胞
C.紫杉醇的合成只受IAA浓度变
化的影响
D.相比而言,IAA和6-BA的浓度比为3∶1时更利于紫杉醇的合成
√
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IAA
(mg·L-1) 6-BA
(mg·L-1) 紫杉醇含量
(10-6mol·L-1)
4 2 350
6 360
8 190
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题组三 植物体细胞杂交技术
7.(2023·镇江高二期末)下列关于植物体细胞杂交的叙述,错误的是
A.植物体细胞杂交必须先制备原生质体
B.植物体细胞杂交必须通过植物组织培养过程才能实现
C.植物体细胞杂交后产生的变异属于可遗传的变异
D.杂种细胞含有两个细胞的遗传物质,所以体细胞杂交属于有性生殖
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植物细胞外有一层细胞壁,会阻碍细胞融合,进行植物体细胞杂交前需利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,获得有活力的原生质体,A正确;
经过体细胞杂交获得的杂种细胞必须通过植物组织培养过程才能得到新的植株,B正确;
植物体细胞杂交后产生的杂种植株染色体数目改变,属于可遗传的变异中的染色体数目的变异,C正确;
杂种细胞含有两个细胞的遗传物质,但没有经过两性生殖细胞的结合,因此属于无性生殖,D错误。
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8.(2023·盐城高二期中)如图表示用草木樨状黄芪(2n=32)和木本霸王
(2n=22)培育抗盐新品种的过程。下列有关叙述正确的是
A.过程①需在低渗溶液中用相应的酶处理
B.植物体细胞杂交的最大优点在于能够定
向改变生物的遗传性状
C.过程③完成的标志是两个细胞核完全融合
D.经过过程④所得的愈伤组织细胞含有4个染色体组
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题图中过程①是用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁,需在等渗或略高渗溶液中处理,从而保证原生质体的活性,A错误;
植物体细胞杂交的最大优点在于能够打破生殖隔离,实现不同物种之间的杂交,B错误;
过程③是融合细胞再生出细胞壁,完成的标志是再生出新的细胞壁,C错误;
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过程④是植物组织培养中的脱分化形成愈伤组织,草木樨状黄芪
(2n=32)和木本霸王(2n=22)均为二倍体,经过过程④所得的愈伤组织细胞含有4个染色体组,D正确。
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9.设计植物体细胞杂交实验是为获得性状优良的新品种作物,通常不需要考虑的是
A.选择具有优良性状的亲本
B.选择去除细胞壁的酶
C.亲本间存在的生殖隔离
D.培养基中生长素和细胞分裂素的浓度及比例
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植物体细胞杂交技术可打破生殖隔离,实现不同生物间远缘杂交育种,故通常不需要考虑亲本间存在的生殖隔离,C符合题意。
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10.在天竺葵的组织培养操作完成了3~4 d后,观察同一温室中的外植体,发现有的外植体正常生长,有的外植体死亡,你认为外植体死亡的原因不可能是
A.外植体来自衰老的植物组织,其中的细胞活性低或结构不完整
B.接种时培养基灭菌不彻底,接种工具灼烧后未待冷却就接种外植体
C.培养过程中保持温度、pH的适宜,但没有及时调整各种营养物质、激
素的比例
D.愈伤组织形成初期没有给予充足的光照
√
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愈伤组织形成过程中,细胞还没有开始再分化,也不可能进行光合作用,所以愈伤组织形成初期不需要充足的光照,D符合题意。
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11.(多选)(2023·徐州高二期末)如图是科研人员利用野生型清水紫花苜蓿和里奥百脉根培育抗膨胀病的苜蓿新品种的流程图,图中的IOA抑制植物细胞呼吸的第一阶段,R-6G阻止线粒体内的细胞呼吸过程。下列相关叙述正确的是
A.过程①成功完成的标志是细胞核
完成融合
B.过程②为脱分化形成愈伤组织,
过程③为再分化并发育为植株
C.再生植株形成的原理是植物细胞的全能性
D.异源融合产物因代谢互补可恢复生长并获得再生能力
√
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过程①成功完成的标志是再生出新的细胞壁,A错误;
再生植株由杂种细胞发育而来,体现了植物细胞的全能性,C正确;
细胞生长发育需要一定的营养物质,异源融合产物因代谢互补可恢复生长并获得再生能力,D正确。
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12.(多选)科学家把天竺葵和香茅草进行体细胞杂交,培育出的驱蚊草含有香茅醛,能散发出一种特殊的气味,达到驱蚊且对人体无害的效果。下列关于驱蚊草培育的叙述,正确的是
A.驱蚊草的培育属于细胞工程育种,其优点是能克服远缘杂交不亲和的
障碍
B.驱蚊草培育过程要用到纤维素酶、果胶酶、PEG等试剂
C.培育过程中形成的愈伤组织的代谢方式是自养需氧型
D.在由杂种细胞形成杂种植株的过程中,包含有丝分裂和细胞分化的过程
√
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√
驱蚊草的培育利用的是植物体细胞杂交技术,属于植物细胞工程,其优点是能克服远缘杂交不亲和的障碍,A正确;
在植物体细胞杂交过程中需要用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁获得原生质体,然后用PEG促进原生质体的融合,B正确;
培育过程中形成的愈伤组织不能进行光合作用,代谢方式是异养需氧型,C错误。
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13.(多选)下列有关天竺葵组织培养的叙述,错误的是
A.外植体一般选用嫩枝或分化程度较低的部位成功率更高
B.为充分利用培养条件,每个锥形瓶可接种多个外植体
C.培养形成的愈伤组织可继续在原培养基中分化形成植株
D.外植体接种前常进行流水冲洗、酒精处理、高温灭菌处理等措施
√
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√
嫩枝或分化程度较低部位的细胞分裂能力强、分化程度低,全能性容易表达,所以外植体一般选用嫩枝或分化程度较低的部位成功率更高,A正确;
为充分利用培养条件,每个锥形瓶可接种6~8个外植体,B正确;
培养形成的愈伤组织需要转移到分化培养基中才能再分化形成植株,C错误;
外植体接种前常进行流水冲洗、酒精处理、氯化汞处理等消毒措施,最后为了避免氯化汞的危害,需要用无菌水漂洗4~6次,但是不能高温灭菌,D错误。
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14.(多选)(2021·江苏,5改编)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。下列相关叙述正确的是
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
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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;
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。
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综合强化
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15.(2023·泰州高二月考)甲、乙两位同学分别以某种植物的绿色叶片和白色花瓣为材料,利用植物组织培养技术繁殖该植物。回答下列问题:
(1)以该植物的绿色叶片和白色花瓣作为外植体,在一定条件下进行组织培养,均能获得试管苗,其原理是_________________________________
___________________________________。
植物组织培养的原理是植物细胞具有全能性。
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绿色叶片和白色花瓣的细胞具有全能性,在一定条件下能发育成完整的植株
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综合强化
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(2)甲、乙同学在诱导愈伤组织形成所用的培养基中均加入一定量的蔗糖,蔗糖水解后可得到_______________。若要用细胞作为材料进行培养获得幼苗,该细胞应具备的条件是__________________(填“具有完整的细胞核”或“具有叶绿体”)。
用细胞作为材料进行培养获得幼苗,细胞必须具有完整的细胞核,才具有发育为完整个体的一整套遗传信息。
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葡萄糖、果糖
具有完整的细胞核
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综合强化
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(3)图中A、B、C显示的是不同的培养结果,出现不同结果主要是由于培养基中两种激素用量不同,这两种激素是_____________________(填名称)。A中的愈伤组织是叶肉细胞经________形成的。
影响植物组织培养的两种主要激素是细胞分裂素和生长素。
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细胞分裂素、生长素
脱分化
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(4)若该种植物是一种名贵花卉的杂合子,要快速获得与原植株基因型和表型都相同的该种花卉,可用组织培养方法繁殖,在培养时_______(填“能”或“不能”)采用经减数分裂得到的花粉粒作为外植体,原因是______________________________________________________________________________________________________________________________
________。
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不能
对杂合子的植株来说,其体细胞的基因型相同,而花粉粒的基因型与体细胞的基因型不同,用花粉粒进行组织培养得到的花卉的基因型不同于原植株
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综合强化
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16.通过细胞工程技术,利用甲、乙两种植物的各自优势(甲耐盐、乙高产),培育高产耐盐的杂种植株。请完善如图实验流程,并回答下列问题:
两个原生质体经PEG诱导后融合,再生出细胞壁后变成杂种细胞,利用植物组织培养技术可得到愈伤组织、丛芽结构和试管苗,并非每个细胞都能表达出耐盐性状,需要利用含盐培养基进行选择。
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(1)B是_______________,D是具有_____优良性状的幼芽。D长成的幼苗需要选择的原因是__________
________________________。
融合的原生质体
耐盐
有耐盐高
产和耐盐不高产两种幼苗
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综合强化
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(2)由C形成植株的过程利用了_____________技术,形成愈伤组织需要经过_________过程,愈伤组织形成D需要经过________过程。整个培养过程要在_____的条件下进行。
由C形成植株需要利用植物组织培养技术,经历脱分化过程和再分化过程。培养过程中需进行无菌操作。
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植物组织培养
脱分化
再分化
无菌
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综合强化
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(3)图示技术在打破____________,实现远缘杂交育种,培育植物新品种方面展示出独特的优势。
植物体细胞杂交技术克服了远缘杂交不亲和的障碍,打破了生殖隔离。
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生殖隔离
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综合强化
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(4)已知甲、乙植物分别为四倍体、二倍体,则得到的“甲—乙植株”属于________倍体植株。
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(异源)六
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