第2章 第1节 第1课时 植物细胞工程的基本技术（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中生物学选择性必修第三册（人教版2024）

第2章　细胞工程第2章　细胞工程 第1节　植物细胞工程 第1课时　植物细胞工程的基本技术 [课标要求] 1.简述植物组织培养和植物体细胞杂交技术(科学思维)。　2.理解植物组织培养的原理和过程，植物体细胞杂交的原理(科学思维)。　3.尝试进行植物组织培养(科学探究、生命观念)。 知识点1　植物组织培养技术 1.细胞全能性的概念：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。 2．植物组织培养 (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)原理：植物细胞的__全能性__。 3．菊花的组织培养 (1)原理依据 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__，即失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成不定形的薄壁组织团块，这称为__愈伤组织__。愈伤组织再重新分化成芽、根等器官的过程称为__再分化__。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。 (2)培养过程 ①外植体消毒 将流水充分冲洗后的外植体(幼嫩的茎段)用__酒精__消毒30 s，然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。 ②处理外植体 将消过毒的外植体置于__无菌__的培养皿中，用无菌滤纸吸去表面的水分。用解剖刀将外植体切成__0.5～1_cm__长的小段。 ③接种 接种时要始终在__酒精灯火焰__旁进行，将外植体的1/3～1/2插入诱导愈伤组织培养基中时应注意方向，不要__倒插__。 ④培养 将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于__18～22__℃的培养箱中培养。培养15～20 d后，将生长良好的愈伤组织转接到诱导__生芽__的培养基上。长出芽后，再将其转接到诱导__生根__的培养基上，进一步诱导形成试管苗。 ⑤移栽 打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日。用流水清洗掉试管苗根部的培养基后，将其移植到消过毒的环境中，待其长壮后再移栽入土。 【辨正误】 (1)高度分化的成熟叶肉细胞不具备发育成完整植株的潜能。(　×　) 高度分化的植物细胞含有该生物全套的遗传信息，具有发育成完整植株的潜能。 (2)植物组织培养的目的都是获得完整的植株。(　×　) 植物组织培养的目的不一定都是获得完整的植株，也可能是获得植物细胞的次生代谢物。 (3)容易进行无性繁殖的植株也容易进行植物组织培养。(　√　) (4)进行菊花的组织培养时，需要在酒精灯火焰旁将外植体的1/3～1/2插入诱导愈伤组织的培养基中。(　√　) (5)植物组织培养期间，每日需要给予适当时间和强度的光照。(　×　) 在诱导愈伤组织期间一般不需要光照，但在后续的培养过程中，每日需要给予适当时间和强度的光照。 知识点2　植物体细胞杂交技术1.植物体细胞杂交的概念：将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成__杂种细胞__，并将其培育成__新植物体__的技术。 2．植物体细胞杂交技术流程图及其分析 (1)图示步骤①为用__纤维素酶和果胶酶__去除植物__细胞壁__，从而制备原生质体。 (2)图示步骤②为人工诱导原生质体间的融合，其方法包括： a．物理法：电融合法、__离心__法等； b．化学法：__聚乙二醇(PEG)__融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。 (3)图示步骤③为再生出__细胞壁__，这是细胞融合成功的标志。 (4)经融合成功的杂种细胞可经步骤④诱导形成__愈伤组织__，再进一步发育成完整植株。 3．意义：植物体细胞杂交技术在打破__生殖隔离__，实现__远缘杂交育种__，培育植物新品种等方面展示出独特的优势。 【辨正误】 (1)利用物理法或化学法，可以直接将两个植物细胞进行诱导融合。(　×　) 植物细胞融合前要先去除细胞壁。 (2)通过植物体细胞杂交技术所获得的番茄—马铃薯植株已成功实现地上结番茄、地下长马铃薯的预期愿景。(　×　) 通过体细胞杂交技术已得到“番茄—马铃薯”杂种植株，但尚未实现地上结番茄、地下结马铃薯的预期愿景。 (3)人工诱导原生质体融合的方法可使用高Ca2＋—高pH融合法这种化学方法。(　√　) (4)植物体细胞杂交技术可打破生殖隔离，实现远缘杂交育种。(　√　) 1．(教材P38“练习与应用”改编)植物细胞壁的主要成分是什么？科学家在制备原生质体时，有时使用蜗牛消化道提取液来降解植物细胞的细胞壁。据此分析，蜗牛消化道提取液中可能含有什么成分？ 提示　植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶。蜗牛消化道可降解植物细胞壁，说明蜗牛消化道提取液中可能有纤维素酶、果胶酶。 2．(教材P42“练习与应用”改编)紫色非甜玉米(基因型为AASuSu)和白色甜玉米(基因型为 aasusu)杂交(Su和su代表一对等位基因)，得到的F1(AaSusu)再进行自交，F2会有紫色甜玉米的表型产生。如果运用常规育种方法，应该如何筛选出纯合的紫色甜玉米？如果利用花药培养技术，又应该怎样做呢？请你设计相关实验的思路。 提示　如果运用常规育种方法，应将F2中紫色甜玉米单独种植，后代不发生性状分离的为纯合紫色甜玉米；或将F2中紫色甜玉米连续自交，自交代数越多，子代纯合子所占比例越高；或将F2中紫色甜玉米与白色甜玉米杂交，若后代全为紫色甜玉米植物，则该紫色甜玉米为纯合子。如果利用花药培养技术，取F1产生的花粉，进行花药离体培养，再用秋水仙素处理得到幼苗，进一步培养就能得到纯合的紫色甜玉米。 探究点1　植物组织培养技术 1．下图为菊花的组织培养的大致过程。 请思考下列问题： (1)图中过程B、C分别指什么？启动B、C过程的关键激素是什么？ (2)通过过程B产生的愈伤组织细胞与枝条韧皮部细胞形态结构是否相同？其根本原因是什么？ (3)该实验操作成功的关键是__________，为此要对外植体、超净工作台等进行__________(填“消毒”或“灭菌”)处理，对培养基、接种工具等进行__________(填“消毒”或“灭菌”)处理，且实验操作过程都要在__________旁进行。 (4)外植体的消毒：选取生长旺盛的嫩枝，冲洗干净。用__________消毒30 s后，立即用无菌水清洗2～3次。再用__________处理30 min后，立即用无菌水清洗2～3次，其目的是________________________________________________。 提示　(1)图中B为脱分化，C为再分化。启动B、C过程的关键激素是生长素和细胞分裂素。 (2)通过过程B产生的愈伤组织细胞与枝条韧皮部细胞形态结构不同，根本原因是基因的选择性表达。 (3)无菌操作　消毒　灭菌　酒精灯火焰 (4)酒精　次氯酸钠溶液　漂净消毒液 2．下图为植物组织培养流程图。 (1)图中“外植体”是指___________________________________________。 (2)图中B、C、D依次指____________、____________、____________。 提示　(1)离体培养的植物器官、组织或细胞 (2)诱导愈伤组织　诱导生芽　诱导生根 1．植物细胞表现出全能性的条件 项目 条件 材料 离体的细胞、组织或器官 培养基 种类齐全、比例合适的营养物质及一定的植物激素 外界 条件 ①无菌操作； ②光照：诱导愈伤组织期间一般不需要光照，在后续的培养过程中，每日需要给予适当时间和强度的光照 2.脱分化和再分化的比较 内容 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 a.离体； b．适宜的营养； c．生长素与细胞分裂素的比例适中； d．一般不需要光 a.离体； b．适宜的营养； c．生长素与细胞分裂素的比例高或低诱导生根或生芽； d．适当时间和强度的光照 3.生长素和细胞分裂素用量对植物组织培养的影响 生长素/ 细胞分裂素 植物细胞的 发育方向 高 有利于根的分化、抑制芽的形成 低 有利于芽的分化、抑制根的形成 适中 促进愈伤组织的生长 简记为“生根，裂芽” (1)由愈伤组织进行细胞分化时，一般要先诱导其生芽，然后诱导其生根，该过程可通过控制培养基中生长素和细胞分裂素的比例来实现。 (2)由于菊花茎段的组织培养较简单，故培养基中不必额外添加植物激素。 【例1】 下面是植物组织培养过程示意图，相关说法正确的是(　　) A．上述植物组织培养的过程依据的生物学原理是植物细胞具有全能性 B．需要对外植体进行严格的灭菌处理，以防止杂菌污染 C．外植体若是月季的花药，则图中的①过程需要光照 D．外植体若是菊花的根尖组织，因细胞中没有叶绿体，故培养成的新植株叶片无色 答案　A 解析　植物组织培养的原理是植物细胞具有全能性，A项正确；外植体一般只消毒，不进行灭菌处理，以保持外植体的活性，B项错误；①过程是脱分化，月季花药的脱分化过程不需要光照，再分化过程才需要一定的光照，C项错误；菊花根尖组织的细胞中含有控制叶绿体形成的基因，在培养过程中，基因的选择性表达会使培养成的新植株叶片呈绿色，D项错误。 【例2】 (2024·甘肃)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(　　) 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 答案　D 解析　在脱分化过程中，1号培养基中的愈伤组织是排列不规则的薄壁组织团块，A项错误；愈伤组织细胞分化时可能会发生基因突变，但基因重组发生在减数分裂过程中，而愈伤组织细胞的分化过程是有丝分裂，所以不会发生基因重组，B项错误；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应该小于1，C项错误；百合分生区附近的病毒极少，甚至无病毒，因此可以作为该研究中的外植体，D项正确。 植物组织培养的关键 (1)无菌：植物组织培养成功的关键是避免微生物的污染，所用实验用具要严格灭菌，接种过程要进行无菌操作。 (2)营养：培养基中必须含有植物生长发育所需的全部营养物质，如无机盐、糖类、维生素等。 (3)影响因素 ①取材：外植体的遗传特性、取材的位置都会影响愈伤组织的再分化能力。如进行菊花组织培养时取菊花的幼嫩茎段。 ②光照：在愈伤组织诱导阶段，对有些植物来说，避光培养有利于细胞脱分化形成愈伤组织。当愈伤组织再分化出芽和叶时，一定要有光照，以利于叶片内叶绿素的合成。 ③植物激素的浓度配比及使用次序，如生长素和细胞分裂素的浓度比例及使用顺序会影响植物组织培养的脱分化与再分化。 探究点2　植物体细胞杂交技术 如图是细胞融合示意图，请据图思考下列问题： (1)进行植物细胞融合时为何先进行过程①②？该过程应如何实施？ (2)图示过程③是指____________，该过程常用的诱导方法是____________。 (3)过程④是细胞壁的再生过程，与此过程密切相关的细胞器是什么？ (4)过程⑤是指____________，其进行的细胞分裂方式是____________，此过程先诱导细胞分裂形成____________，此过程是否需要光照？ (5)自然条件下番茄与马铃薯能否通过有性生殖实现杂交育种？为什么？ (6)植物体细胞杂交的突出优点是什么？若番茄细胞内含A条染色体，马铃薯细胞内含B条染色体，则“番茄—马铃薯”杂种植株细胞内含多少条染色体？ 提示　(1)由于植物细胞外面有一层细胞壁，这层细胞壁阻碍着细胞间的杂交，因此进行体细胞杂交之前应先去除细胞壁制备原生质体；去除细胞壁应使用纤维素酶和果胶酶处理细胞。 (2)原生质体融合　物理法和化学法 (3)与细胞壁再生过程密切相关的细胞器是高尔基体(和线粒体)。 (4)脱分化　有丝分裂　愈伤组织　诱导形成愈伤组织期间一般不需光照。 (5)不能。因为番茄、马铃薯属于不同物种，二者间存在生殖隔离。 (6)植物体细胞杂交的突出优点是可打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，从而培育出植物新品种。“番茄—马铃薯”杂种植株细胞内所含染色体应为两种细胞染色体之和，即“A＋B”条染色体。 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：产生新的细胞壁。在此过程中高尔基体与细胞壁的形成有关，同时该过程还需要线粒体提供能量。 (3)植物体细胞杂交的结果：产生新的植株。 (4)融合后的杂种细胞筛选 假设用于杂交的两种植物细胞分别为A、B，则诱导融合后的产物有三类：未融合的细胞(A和B)；两两融合的细胞(AA、BB和AB)；多细胞融合体。两两融合的细胞中，只有AB型细胞是我们需要的杂种细胞，所以要进行筛选。 (5)植物体细胞杂交的生殖方式：无性生殖。 (6)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，即杂种植株为异源多倍体。 (7)植物体细胞杂交育种的优点和局限性 ①优点：克服远缘杂交不亲和的障碍。 ②局限性：目前仍有许多理论和技术问题未解决，还不能让杂种植物按照人们的需求表现出双亲的优良性状。 【例3】 科学家利用植物体细胞杂交技术成功获得了“胡萝卜－羊角芹”杂种植株，为了便于杂种细胞的筛选和鉴定，科学家利用红色荧光和绿色荧光分别标记胡萝卜和羊角芹的细胞膜上的蛋白质，其培育过程如图所示： 请回答下列相关问题： (1)植物体细胞杂交的生物学原理是_________________________________ ___________________________________________________________________________________________________。 (2)过程①常用____________酶去除细胞壁，获得具有活力的原生质体。植物原生质体融合过程常采用的物理方法有____________(答出2点即可)。原生质体融合成功的标志是____________。在鉴定融合原生质体时可用显微镜观察，当观察到____________时，可判断该原生质体是由胡萝卜原生质体和羊角芹原生质体融合而成的。 (3)过程③和过程④分别为__________，过程④的培养基中常添加的植物激素有__________。 (4)与杂交育种相比，植物体细胞杂交的显著特点是_____________________ 解析　(1)植物体细胞杂交就是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的植物体的技术，体现的生物学原理为植物细胞的全能性和细胞膜具有一定的流动性。(2)植物细胞具有细胞壁，在进行细胞融合之前需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。诱导原生质体融合的物理法包括电融合法、离心法等。原生质体融合成功的标志是杂种细胞再生出细胞壁。由于红色荧光和绿色荧光分别标记了胡萝卜和羊角芹的细胞膜上的蛋白质，故融合的原生质体表面既有红色荧光又有绿色荧光时，可判断该原生质体是由胡萝卜原生质体和羊角芹原生质体融合而成的。(3)过程③由杂种细胞形成愈伤组织的过程为植物组织培养中的脱分化；过程④由愈伤组织形成“胡萝卜－羊角芹”杂种植株的过程属于再分化，此过程的培养基中需添加的植物激素是生长素和细胞分裂素。(4)植物体细胞杂交是将不同种植物的体细胞融合，克服了植物远缘杂交不亲和的障碍(或打破了植物不同物种间的生殖隔离)。 答案　(1)植物细胞的全能性、细胞膜具有一定的流动性　(2)纤维素酶和果胶　电融合法、离心法　杂种细胞再生出细胞壁　融合的原生质体表面既有红色荧光又有绿色荧光 (3)脱分化、再分化　生长素和细胞分裂素　(4)克服了植物远缘杂交不亲和的障碍(或打破了植物不同物种间的生殖隔离) 核心知识小结 [网络构建] [答题必备] 1．植物组织培养的基本过程 2．植物组织培养技术的理论基础是植物细胞一般具有全能性，植物体细胞杂交技术的理论基础是细胞膜具有一定的流动性和植物细胞一般具有全能性。 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包括物理法(如电融合法、离心法等)及化学法(如聚乙二醇融合法、高Ca2＋—高pH融合法等)。 1．(2024·北京)大豆叶片细胞的细胞壁被酶解后，可获得原生质体。以下对原生质体的叙述错误的是(　　) A．制备时需用纤维素酶和果胶酶 B．膜具有选择透过性 C．可再生出细胞壁 D．失去细胞全能性 答案　D 解析　大豆叶片细胞是植物细胞，具有细胞壁，其细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，所以制备原生质体，需用纤维素酶和果胶酶进行处理，A项正确；生物膜的功能特点是具有选择透过性，所以膜具有选择透过性，B项正确；原生质体可以再生出新的细胞壁，C项正确；分离出的原生质体具有全能性，可用于植物体细胞杂交，为杂种植株的获得提供了理论基础，D项错误。 2．(2024·湖北)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(　　) 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 答案　B 解析　酶解是为了去除植物细胞的细胞壁，过程①中酶处理的时间不同，说明两种亲本的细胞壁结构有差异，A项正确；过程②为原生质体的融合，常用PEG诱导原生质体融合，灭活的仙台病毒可诱导动物细胞融合，不能用于植物，B项错误；过程④脱分化和⑤再分化的培养基中均需要添加生长素和细胞分裂素，但在两个过程中比例不同，C项正确；植物丙是植物甲和植物乙体细胞杂交形成的个体，应具备两者的遗传物质，因此可通过分析植物丙的染色体，来鉴定其是否为杂种植株，D项正确。 3．如图是“白菜—甘蓝”杂种植株的培育过程。下列说法不正确的是(　　) A．“白菜—甘蓝”植物可以结种子 B．“白菜—甘蓝”杂种植物为异源四倍体 C．上述过程包含有丝分裂、细胞分化、减数分裂 D．“白菜—甘蓝”植株具有的性状是基因选择性表达的结果 答案　C 解析　“白菜—甘蓝”植物可育，因此可以结种子，A项正确；白菜和甘蓝都是二倍体，因此“白菜—甘蓝”杂种植物为异源四倍体，B项正确；上述过程包含有丝分裂、细胞分化，但不包含减数分裂，C项错误；“白菜—甘蓝”植株具有的性状是基因选择性表达的结果，D项正确。 4．培养胡萝卜根组织可获得试管苗，过程如图所示。下列说法错误的是(　　) A．步骤③切取的组织块中要带有形成层，原因是形成层容易诱导形成愈伤组织 B．步骤⑤和步骤⑥培养基中细胞分裂素和生长素的浓度、比例不同 C．步骤⑥需要进行避光培养 D．利用胡萝卜根段进行组织培养可以形成试管苗，这是因为植物细胞具有全能性 答案　C 解析　形成层容易诱导形成愈伤组织，因此步骤③切取的组织块中要带有形成层，A项正确；步骤⑤脱分化和步骤⑥再分化培养基中细胞分裂素和生长素的浓度、比例不同，B项正确；步骤⑤脱分化需要进行避光培养，步骤⑥再分化需要适宜光照培养，C项错误；利用胡萝卜根段进行组织培养可以形成试管苗，这是因为植物细胞具有全能性，D项正确。 5．近年来，一种名为“爱媛橙”的柑橘类水果因皮薄易剥、细腻多汁、口感似果冻等优点，被网友们称为“果冻橙”，并迅速成为网红水果。“爱媛橙”由柑橘品种南香与西子香杂交获得。某科研小组欲利用细胞融合技术培育“爱媛橙”，其部分流程如下图所示。回答下列问题： (1)过程①应将两种植物细胞分别置于含有____________酶的溶液中制备原生质体。 (2)杂种细胞形成的标志是____________；愈伤组织细胞最突出的特征是____________；过程⑤称为____________。 (3)与通过南香与西子香杂交培育成的“爱媛橙”相比，该育种方法具有的优点是__________；该育种技术遵循的生物学原理是____________(填序号)。 ①细胞膜的流动性　②细胞膜的选择透过性 ③植物细胞的全能性　④细胞增殖 解析　(1)欲获得原生质体，需将植物细胞去除细胞壁，细胞壁的主要成分为纤维素和果胶，因此可用纤维素酶和果胶酶处理植物细胞。(2)融合的原生质体形成细胞壁标志着杂种细胞的形成。杂种细胞经过脱分化，转变成未分化的细胞，进而形成不定形的薄壁组织团块，即为愈伤组织。愈伤组织通过⑤再分化，形成“爱媛橙”植株。(3)“爱媛橙”植株的获得利用了植物体细胞杂交技术，该技术能克服远缘杂交不亲和的障碍。植物体细胞杂交技术运用了细胞膜具有一定的流动性、植物细胞的全能性、细胞增殖等生物学原理，即①③④。 答案　(1)纤维素酶和果胶　(2)细胞壁的形成 未分化、不定形的薄壁组织团块　再分化　(3)打破生殖隔离，实现远缘杂交育种　①③④ 学科网（北京）股份有限公司 $$