2.1.1 植物细胞的全能性、植物组织培养的过程和条件-【步步高】2023-2024学年高二生物学选择性必修3 生物技术与工程（浙科版）

第一节　通过植物组织培养可获得完整植株 第1课时　植物细胞的全能性、植物组织培养的过程和条件 [学习目标]　1.阐明植物细胞全能性的含义。2.概述植物组织培养的过程。3.举例说明离体培养实现细胞全能性的条件。 一、植物细胞的全能性和植物组织培养的过程 1．细胞工程的含义 2．植物组织培养 提醒　(1)植物组织培养的种类：根据外植体的不同，可分为器官培养、组织培养、细胞培养、原生质体培养等。 (2)愈伤组织再分化形成完整植株的途径：器官发生途径和体细胞胚发生途径。 判断正误 (1)一般情况下，植物体的每个细胞都具有发育形成完整植株的潜能(　　) (2)愈伤组织是一种有一定组织结构、排列整齐的薄壁细胞(　　) (3)细胞全能性的表达是通过细胞的脱分化和再分化实现的(　　) (4)胚状体是植物体内不经过受精过程由体细胞发育而成的类似胚的结构(　　) 答案　(1)√　(2)×　(3)√　(4)× 任务一：植物组织培养的原理和过程 如图表示利用胡萝卜韧皮部细胞进行植物组织培养的流程，请据图分析回答下列问题： (1)图中①②分别表示什么过程？ 提示　①表示脱分化过程，②表示再分化过程。 (2)经过①过程形成的愈伤组织有何特点？ 提示　愈伤组织是一团无组织结构、松散的薄壁细胞团。 (3)由愈伤组织经②过程形成完整植株，一般有哪两条途径？ 提示　器官发生途径和体细胞胚发生途径。 (4)植物组织培养的原理是什么？ 提示　植物细胞的全能性。 (5)利用文字、箭头等构建植物组织培养的流程图。 提示　如图所示 　体细胞胚和合子胚的比较 项目 体细胞胚 合子胚 不同 由体细胞或生殖细胞分裂、分化而来，属于无性生殖 由受精卵(合子)发育而来，属于有性生殖 相同 都能发育成完整植株 1．(2023·湖州高二联考)如图为将胡萝卜的离体组织在一定条件下培育形成试管苗的过程示意图。下列有关叙述正确的是(　　) A．此过程依据的生物学原理是细胞膜具有流动性 B．①②过程中都会发生细胞的增殖和分化 C．多倍体植株的培育必须经过题图所示过程 D．利用此过程获得的试管苗可能为杂合子 答案　D 解析　植物组织培养的生物学原理是植物细胞具有全能性，A错误；①过程是脱分化，②过程是再分化，脱分化过程中细胞增殖，但没有发生细胞分化，再分化时细胞增殖，同时分化成具有特殊功能的细胞，B错误；多倍体植株的培育无须经过植物组织培养，C错误；用胡萝卜的离体组织经植物组织培养获得试管苗，试管苗的基因型和提供外植体的亲本基因型相同，如果亲本是杂合子，那么试管苗也为杂合子，D正确。 2．如图表示四倍体兰花叶片通过植物组织培养形成植株的过程。下列相关叙述正确的是(　　) 四倍体兰花叶片愈伤组织胚状体植株 A．②和③阶段发生减数分裂 B．①阶段需要生长素而③阶段仅需要细胞分裂素 C．此兰花的花药离体培养所得的植株体细胞中含有两个染色体组 D．①阶段不仅有细胞增殖且细胞分化速率很快 答案　C 解析　四倍体兰花叶片植物组织培养过程中涉及有丝分裂，不涉及减数分裂，A错误；在植物组织培养过程中，培养基中需添加生长素和细胞分裂素，B错误；分析题干信息可知，兰花是四倍体植物，减数分裂产生的生殖细胞中含有两个染色体组，由此兰花的花药离体培养获得的单倍体植株体细胞中含有两个染色体组，C正确；植物组织培养技术包括脱分化和再分化两个阶段，①表示脱分化阶段，细胞只增殖不分化，D错误。 二、离体培养的条件 提醒　(1)无机盐为植物提供大量元素和微量元素。 (2)有机营养成分中含有糖类、氨基酸、维生素等物质。 ①糖类既可作为碳源和能源物质，又参与维持培养基的渗透压。蔗糖、葡萄糖和果糖是较好的碳源，其中蔗糖最为常用。 ②维生素往往以辅酶的形式参与细胞的蛋白质、脂质、糖代谢等重要活动。 (3)绿色的外植体在脱分化培养过程中由于无光照而失去叶绿素，使其光合作用受阻，故而培养基中需要加入有机营养成分，如蔗糖。 (4)使用最广泛的植物培养基是MS培养基，改动植物激素类物质的种类和比例可得到以下培养基：发芽培养基的参考配方为MS＋6－BA 1.0 mg/L＋NAA 0.1 mg/L，生根培养基的参考配方为MS＋NAA 0.1 mg/L。 判断正误 (1)外植体消毒后需经无菌水冲洗多次后才用于接种(　　) (2)培养基在使用之前要放在烤箱中高温灭菌(　　) (3)生长素类和细胞分裂素类物质的比值大时，有利于芽的形成(　　) 答案　(1)√　(2)×　(3)× 任务二：植物培养基的成分 结合教材表2－1：MS培养基成分表，分析回答下列问题： (1)表中无机盐为植物提供的矿质元素中，大量元素和微量元素分别有哪些？ 提示　大量元素有N、P、S、K、Mg、Ca；微量元素有Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl、I、Co等。 (2)除了表中所列成分外，植物组织培养时还需添加哪些物质？ 提示　蔗糖、琼脂、植物激素类物质等。 (3)分析培养基中植物激素的种类和作用。 提示　培养基中添加的植物激素包括生长素类和细胞分裂素类，植物激素调控细胞的脱分化和再分化过程。 1．植物细胞表达全能性的条件 材料 离体的器官、组织或细胞等 培养基 营养物质、植物激素类物质、琼脂等物质 无菌操作 外植体消毒、接种器具和培养基灭菌、规范的无菌操作流程 2.离体培养过程中的激素和光照的使用 (1)诱导再分化时，植物激素的比例不同，实验结果就会不同。 (2)诱导脱分化时，通常要避光培养；诱导再分化时，通常要给予适宜的光照。 (3)生长素和细胞分裂素比例适中→促进愈伤组织的形成；生长素和细胞分裂素比值小→利于芽的分化；生长素和细胞分裂素比值大→利于根的分化。 3．(2023·嘉兴高二检测)下列关于植物组织培养的叙述，错误的是(　　) A．植物组织培养技术的理论基础是植物细胞具有全能性 B．MS培养基中含有的大量元素包括N、P、K、Ca、Fe等 C．用酒精和氯化汞溶液分别处理离体植物组织后均需要用无菌水冲洗 D．植物的组织培养需要在无菌和人工控制的条件下进行 答案　B 解析　MS培养基中含有N、P、K、Ca等大量元素，Fe属于微量元素，B错误。 4．某兴趣小组拟用组织培养技术繁殖一种珍稀植物，其技术路线为“取材→消毒→愈伤组织培养→出芽→生根→移栽”。下列有关叙述错误的是(　　) A．消毒的原则是既杀死材料表面的微生物，又减少消毒剂对细胞的伤害 B．愈伤组织是由外植体脱分化形成的，其分化程度通常比外植体要高 C．出芽是细胞再分化的结果，受基因选择性表达的调控 D．生根时，培养基中通常应含有NAA等生长素类似物 答案　B 解析　植物组织培养中要求无菌操作，以防止杂菌污染，消毒时既要杀死材料表面的微生物，又要尽量减少消毒剂对细胞的伤害，A正确；愈伤组织是未分化的细胞，而外植体通常是高度分化的细胞，外植体的分化程度通常比愈伤组织高，B错误；出芽是细胞再分化的结果，分化的实质是基因的选择性表达，受基因选择性表达的调控，C正确；在诱导生根的过程中，需要生长素和细胞分裂素的共同作用，生长素与细胞分裂素的比值高时，有利于根的形成，因此生根时，培养基中会含有NAA等生长素类似物，D正确。 题组一　植物组织培养的原理和过程 1．(2023·嘉兴高二期中)如图表示利用胡萝卜根韧皮部细胞培养获得完整胡萝卜植株的简要流程，这体现了(　　) A．胡萝卜细胞核的杂合性 B．胡萝卜细胞的全能性 C．胡萝卜细胞种类的多样性 D．胡萝卜细胞的易突变性 答案　B 2．下列有关植物组织培养过程中形成的愈伤组织的说法，错误的是(　　) A．愈伤组织是离体植物细胞经过脱分化和再分化形成的 B．培养基中生长素和细胞分裂素的比值不同，愈伤组织分化的结果不同 C．愈伤组织为一团不定形的薄壁细胞 D．愈伤组织在一定条件下培养可以形成完整的植株 答案　A 解析　愈伤组织是离体植物细胞经过脱分化形成的，A错误。 3．植物组织培养的一般过程可以归结为(　　) A．离体组织细胞愈伤组织组织器官或胚状体植物体 B．愈伤组织组织器官或胚状体植物体 C．离体组织细胞组织器官或胚状体愈伤组织植物体 D．组织器官或胚状体愈伤组织植物体 答案　A 4．(2023·温州高二质检)用高度分化的离体的植物细胞、组织和器官等进行组织培养可以形成愈伤组织。下列相关叙述错误的是(　　) A．该愈伤组织是细胞经过脱分化和分裂形成的 B．该愈伤组织的细胞没有全能性 C．该愈伤组织是由排列疏松的薄壁细胞组成的 D．该愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构 答案　B 解析　该愈伤组织细胞经诱导培养可以发育为完整植株，可以体现细胞的全能性，B错误。 题组二　植物组织培养的条件 5．将离体的胡萝卜形成层脱分化形成愈伤组织的过程中，下列哪项条件是不需要的(　　) A．消毒灭菌 B．适宜的温度 C．充足的光照 D．适宜的养料和激素 答案　C 6．(2023·杭州高二期中)某科研小组拟采用“取材→消毒→接种→愈伤组织培养→出芽→生根→移栽”的流程繁殖某种名贵花卉。下列相关叙述正确的是(　　) A．外植体经灭菌后，需要用无菌水多次冲洗 B．愈伤组织是一团无组织结构、松散的薄壁细胞团 C．培养基中细胞分裂素浓度较高时，有利于生根 D．用该流程获得的再生花卉幼苗不会出现变异 答案　B 解析　外植体不能进行灭菌处理，只能消毒，A错误；培养基中细胞分裂素浓度较高时，有利于生芽，C错误；用该流程获得的再生花卉幼苗也可能发生变异，如基因突变，D错误。 7. (2023·温州高二联考)某同学利用带顶芽的幼茎为材料进行植物离体培养，制作了一个便携的“试管植物”挂件(如图)。下列关于制作过程的说法，正确的是(　　) A．灭菌后的培养基先培养2～3天，看有无杂菌污染 B．培养过程中带顶芽的幼茎需先经脱分化形成愈伤组织 C．将已消毒的幼芽切段接种于培养基表面时，不能划破培养基 D．若几天后在幼茎基部观察到有菌落生长，原因是培养基灭菌不彻底 答案　A 解析　灭菌后的培养基在接种外植体前要先培养2～3天，看有无杂菌污染，检测灭菌是否合格，A正确；以植物的带芽幼茎为外植体进行培养时，顶芽可不经愈伤组织阶段直接萌生成一株幼苗，B错误；已消毒的幼芽切段接种时需将极性下端插入培养基中，C错误；若几天后在幼茎基部观察到有菌落生长，可能是培养基灭菌不彻底，也可能是外植体消毒不彻底等，D错误。 8．(2023·台州高二期中)为了说明生长素和细胞分裂素在植物组织培养中的相互作用，用烟草的愈伤组织做了如下的实验。下列四组实验中，培养基中细胞分裂素中等量、生长素较少的一组是(　　) 答案　A 解析　当培养基中生长素和细胞分裂素的比例适中时，有利于愈伤组织的形成；当生长素比例偏高时，有利于根的形成；当细胞分裂素比例偏高时，有利于芽的分化。A图显示培养基有利于芽的分化，A符合题意。 9．某生物兴趣小组成员以西瓜5天龄幼苗子叶(子叶尚未完全展开且颜色为淡绿色)为外植体进行相关研究，得到如图所示的实验结果。下列相关叙述错误的是(　　) A．实验开始前应对幼苗子叶和MS培养基进行灭菌处理 B．与愈伤组织细胞相比，胚状体细胞已经分化 C．暗处理时间长短对细胞脱分化率影响不大，但影响再分化率 D．结果表明西瓜子叶诱导形成胚状体的最适暗处理时间是1～2周 答案　A 解析　该实验的外植体(幼苗子叶)需要经过消毒处理，而不是灭菌，灭菌会使外植体死亡而无法培养出愈伤组织和胚状体，A错误。 10．培养胡萝卜根组织可获得试管苗，其过程如图所示。下列叙述错误的是(　　) A．用胡萝卜根段培养成试管苗，体现了植物细胞的全能性 B．⑤⑥过程所需的生长素类和细胞分裂素类物质的比例不同 C．愈伤组织由一团正方形排列紧密的薄壁细胞组成 D．经组织培养得到的植株一般可保持原品种的遗传特性 答案　C 解析　⑤⑥过程分别形成愈伤组织和试管苗，形成的产物不同，需要的生长素和细胞分裂素的比例不同，B正确；愈伤组织是无组织结构、松散的薄壁细胞团，C错误；经组织培养得到的植株，属于无性繁殖，一般可保持原品种的遗传特性，D正确。 11．(2023·绍兴高二检测)如图为植物组织培养过程的示意图，下列说法错误的是(　　) A．b试管中的细胞是具有分化能力的薄壁细胞 B．d试管中培育出的个体都是纯合子 C．a→b的过程需要植物激素的诱导 D．a→d过程中的细胞分裂都是有丝分裂 答案　B 解析　b试管中是愈伤组织，愈伤组织细胞在一定条件下，可重新分化为各种类型的细胞，A正确；d试管中培育出的个体不一定是纯合子，如果外植体取自纯合子，培育出的个体则一定是纯合子，如果外植体取自杂合子，培育出的个体则一定是杂合子，B错误；a→b为脱分化过程，需要植物激素的诱导，C正确；a→d即脱分化、再分化及进一步发育成小植株的过程中，细胞分裂都是有丝分裂，D正确。 12．某植物有A、B两品种，科研人员在设计品种A组织培养实验时，参照品种B的最佳植物激素配比(见表)进行预实验。下列相关叙述正确的是(　　) 品种B组织培养阶段 细胞分裂素浓度(μmol/L) 生长素浓度(μmol/L) Ⅰ.诱导形成愈伤组织 m1 n1 Ⅱ.诱导形成幼芽 m2 n2 Ⅲ.诱导生根 m3 n3 A．Ⅱ阶段用秋水仙素对材料进行处理，最易获得由单个细胞形成的多倍体 B．Ⅲ阶段时，科研人员将品种A幼芽长时间浸泡在浓度远远高于n3 μmol/L的生长素中，也能达到最佳生根效果 C．Ⅰ阶段通常选择茎尖、幼叶等作为外植体，原因是细胞分化程度高，容易诱导产生愈伤组织 D．在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段中都能发生基因的选择性表达 答案　D 解析　Ⅰ阶段诱导形成愈伤组织，愈伤组织是一团未分化的细胞，分裂能力强，用秋水仙素对材料进行处理，最易获得由单个细胞形成的多倍体，A错误；生长素浓度过高，会产生抑制作用，不利于生根，因此科研人员将品种A幼芽长时间浸泡在浓度远远高于n3 μmol/L的生长素中，不能达到最佳生根效果，B错误；Ⅰ阶段通常选择茎尖、幼叶等作为外植体，原因是细胞分化程度低，容易诱导产生愈伤组织，C错误；在植物发育的不同阶段，细胞的种类、功能都有差异，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段中都能发生基因的选择性表达，D正确。 13．某组织培养实验室的愈伤组织被真菌严重污染，为查找污染原因设计了4个实验，实验条件除图示外其他均相同。下列各图表示实验结果，据图不可得出的初步结论是(　　) A．污染不是培养基灭菌时间长短造成的 B．污染主要来源于组织培养所用的离体组织 C．调节培养基pH不能解决污染问题 D．调节培养温度能解决污染问题 答案　D 解析　随培养基灭菌时间的变化，污染率在一定范围内波动，可见污染不是由培养基灭菌时间长短造成的，A不符合题意；随离体组织消毒时间的变化，污染率曲线变化明显，说明污染主要来源于组织培养所用的离体组织，B不符合题意；通过调节培养基的pH，污染率曲线在一定范围内波动，说明调节培养基pH不能解决污染问题，C不符合题意；在不同的培养温度下，污染率在一定范围内波动，说明调节培养温度不能解决污染问题，D符合题意。 14．(2023·舟山高二调研)如图表示胡萝卜的韧皮部细胞通过无菌操作接种到试管培养基上后，在一定的条件下，形成试管苗的培育过程，请据图回答下列问题： (1)要促进细胞分裂生长，培养基中应含有营养物质和激素。营养物质包括水、无机盐、有机营养成分等。其中无机盐提供的矿质元素根据含量可分为_____________和_______________，植物激素包括细胞分裂素类物质和______________类物质。 (2)此过程依据的原理是___________________________________。A和B阶段主要进行的分裂方式是____________，B阶段除了细胞分裂外，还进行细胞________等。 (3)此过程要无菌操作，主要是指对________进行灭菌处理。 (4)试管苗的根细胞没有叶绿素，而叶的叶肉细胞具有叶绿素，这是基因____________的结果。 答案　(1)大量元素　微量元素　生长素　(2)植物细胞的全能性　有丝分裂　分化　(3)培养基　(4)选择性表达 解析　(1)植物组织培养是指在无菌和人工控制条件下，将离体的植物体器官、组织或细胞等培养在人工配制的培养基上，使其生成完整植株或使其细胞增殖并产生细胞代谢产物的技术。植物组织培养的培养基中通常含有水、无机盐、有机营养成分、琼脂、植物激素(生长素类和细胞分裂素类物质)等物质。(2)植物组织培养的原理是植物细胞的全能性；由外植体发育成试管苗，脱分化阶段细胞进行有丝分裂，再分化阶段愈伤组织细胞经有丝分裂和细胞分化形成试管苗。 15．为探究某种植物愈伤组织的培养条件，某研究小组配制了2,4－D浓度不同的两种培养基，然后接种初始重量相同的幼苗子叶切块并分别培养在光照、黑暗条件下，一段时间后，测量愈伤组织的生长量，结果如图。请回答下列问题： (1)在该实验中，自变量是_______________________________________________________。 (2)据图分析，在培养基中添加2,4－D的作用是______________________________________。 (3)幼苗子叶切块转变成愈伤组织的过程称为____________。为大量获得该植物的愈伤组织，适宜采取________(填“黑暗”或“光照”)培养。 (4)光照在培养过程中不作为愈伤组织的能量来源，原因是___________________________。 答案　(1)光照的有无、2,4－D的浓度、培养天数　(2)促进愈伤组织的生长　(3)脱分化　黑暗　(4)愈伤组织细胞中不含叶绿体，无法利用光能进行光合作用 解析　(1)分析题图可知，本实验中涉及3个自变量，即光照的有无、2,4－D的浓度和培养天数，因变量为愈伤组织生长量。(2)分析曲线图可知，加入2,4－D溶液后，愈伤组织生长得更快，所以在培养基中添加2,4－D的作用是促进愈伤组织的生长。(3)据图可知，黑暗条件下愈伤组织生长量更高，因此为大量获得该植物的愈伤组织，适宜采取黑暗培养。(4)在脱分化形成愈伤组织及愈伤组织的增殖阶段，细胞中均不含叶绿体，无法利用光能进行光合作用，因此光照在培养过程中不作为愈伤组织的能量来源。 学科网（北京）股份有限公司 $$