第2章 第1节 第1课时 植物细胞工程的基本技术（教用Word）-【金榜题名】2025-2026学年高二生物选择性必修3 生物技术与工程同步学案（人教版）

本高中生物学讲义聚焦植物细胞工程基本技术，先阐述细胞工程概念及理论基础细胞全能性，再详解植物组织培养的脱分化、再分化过程，最后介绍植物体细胞杂交技术，构建完整知识脉络。 资料通过“菊花的组织培养”探究实践培养科学探究能力，结合细胞全能性等原理渗透生命观念，借助问题讨论与典题辨析提升科学思维。课中辅助教师引导学生实操与理解，课后助力学生自学诊断、巩固知识，查漏补缺。

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 学习目标 素养要求 1.阐明植物组织培养是在一定条件下，将离体植物器官、组织和细胞在适宜的培养条件下诱导形成愈伤组织，并重新分化，最终形成完整植株的过程。 2．概述植物体细胞杂交是将不同植物体细胞在一定条件下融合成杂合细胞，继而培育成新植物体的技术。 1.简述植物组织培养和植物体细胞杂交技术。(生命观念) 2．结合菊花的组织培养实验，与同学交流讨论，尝试设计植物组织培养技术的流程简图。(科学探究) 一、细胞工程的概念和理论基础 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 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.细胞工程的理论基础——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，即细胞的全能性。 (2)在生物体内全能性不能表达的原因：在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会有选择性地表达出各种蛋白质，从而构成生物体的不同组织和器官。 二、植物组织培养技术 1．理论基础：植物细胞的全能性。 2．基本过程 图中①过程为脱分化，②过程为再分化，A表示愈伤组织，B表示芽、根等器官。 3．探究实践：菊花的组织培养过程 (1)消毒：①用酒精擦拭双手和超净工作台台面。②将外植体用酒精消毒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)取材：①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。②用解剖刀将外植体切成0.5～1_cm长的小段。 (3)接种：①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。②用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记。 (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。定期观察和记录愈伤组织的生长情况。 (5)转接：①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。②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。 (6)移栽：①移栽前，先打开瓶口或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日。②用流水清洗掉根部的培养基后，将幼苗移栽到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中，待其长壮后再移栽入土。 三、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)过程①为去除细胞壁获得原生质体，用到的酶是纤维素酶和果胶酶。 (2)过程②为原生质体的融合，人工诱导的物理法包括电融合法、离心法等，化学法包括聚乙二醇融合法、高Ca2＋－高pH融合法等。 (3)过程③为融合的原生质体再生出细胞壁，这是原生质体融合成功的标志。 (4)过程④为脱分化，过程⑤为再分化。 3．意义：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优势。 [自学效果诊断] 1．判正误 (1)细胞工程可以通过在分子水平上的操作，按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质。( × ) (2)植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出细胞的全能性。( × ) (3)在植物组织培养过程中，细胞的遗传物质一般都发生改变。( × ) (4)植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因是细胞壁阻碍了原生质体的融合。( √ ) 2．微思考 (1)在生物体内，细胞并不表现出全能性，而是分化为不同的组织、器官的原因是什么？ 提示：细胞全能性表达的基本条件之一是离体状态。例如：植株上的分生组织细胞在体内只能进行分裂分化，形成不同的组织，但不能表现出全能性，这是生物体内基因程序性表达的结果。 (2)植物体细胞融合与植物体细胞杂交结束的标志有何不同？ 提示：前者是再生出细胞壁，后者是形成杂种植株。 新知探究一　植物细胞的全能性 　材料一　利用菊花的花瓣就能培育出完整的菊花植株。 材料二　利用烟草的根细胞经组织培养，可以培育成成熟植株。 (1)为什么利用植物的体细胞(如花瓣细胞、根细胞)就能培养出完整植株？ 提示：正常的植物体细胞具有该生物生长发育和繁殖所需的全套遗传物质，具有全能性。 (2)是否所有的植物细胞都适合进行植物的组织培养？ 提示：不是，没有细胞核的筛管细胞无全能性，不适合进行植物的组织培养。 [核心归纳] 1．细胞具有全能性的原因 一般生物体的每一个细胞都包含该物种所特有的全套遗传物质，都具有发育成为完整个体的潜能。 2．植物细胞表现全能性的条件 (1)离体状态。 (2)营养物质：种类齐全、比例合适。 (3)植物激素：生长素、细胞分裂素。 (4)外界条件：适宜的温度、pH和光照(愈伤组织的形成和生长需要避光培养，再分化培养需见光)等。 (5)无菌操作。 [典题应用] 1．下列有关细胞全能性的叙述，正确的是(　　) A．植物体只有体细胞才具有发育成完整个体所必需的全套基因 B．高度分化的植物细胞只有处于离体状态时，才有可能表现出全能性 C．植物体内某些体细胞没有表现出全能性，其原因是所含基因不同 D．紫色糯性玉米种子培育成植株，这反映植物种子具有全能性 解析：选B　细胞具有全能性的原因是细胞具有发育成完整个体所必需的全套基因，而配子也具有这样的全套基因，同样具有全能性；植物体内细胞没有表现出全能性，这是细胞内基因在特定时间和空间条件下选择性表达的结果；种子发育成植株，是正常生命历程，不属于全能性；细胞全能性的表达前提是离体培养的细胞、组织或器官。 2．下列植物组织细胞，在条件适宜的情况下，最易表达其全能性的是(　　) A．茎韧皮部细胞 B．叶肉细胞 C．受精卵 D．根尖分生区细胞 解析：选C　 细胞的全能性由大到小依次是受精卵、生殖细胞、体细胞。 [方法技巧]　细胞全能性大小的比较 (1)植物细胞＞动物细胞(动物细胞只有细胞核具有全能性)。 (2)受精卵＞生殖细胞(精子、卵细胞)＞体细胞。 (3)体细胞：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；幼嫩的细胞＞衰老的细胞。 新知探究二　植物组织培养技术 1．植物组织培养的操作： (1)进行上图操作过程时需要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作，目的是__________。 提示：防止杂菌污染 (2)图中脱分化和再分化阶段对光照的需求相同吗？ 提示：不同。脱分化阶段需要避光培养，再分化阶段需要光照。 (3)脱分化后产生的薄壁组织团块是什么结构？有没有全能性？ 提示：脱分化形成的不定形的薄壁组织团块是愈伤组织，具有全能性，其可再分化后继续发育为植物体。 2．从繁殖方式上看，植物组织培养属于哪种繁殖方式？为什么？ 提示：无性繁殖。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．相关概念辨析 (1)外植体：离体进行组织培养的植物组织或器官。 (2)胚状体：植物组织离体培养，经过脱分化和再分化，发育成胚状体。胚状体经过生长发育成完整植株。 (3)愈伤组织：是一团没有特定结构和功能，排列疏松而无规则，高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞团。 (4)脱分化和再分化的比较 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 形成体特点 排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞 有根、芽 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．不需光 a.离体 b．适宜的营养 c．生长素与细胞分裂素的比例高(低)诱导生根(生芽) d．需光照 2.植物组织培养的条件 (1)离体、无菌。 (2)环境条件适宜：如营养物质(水、无机盐、蔗糖、维生素等)、激素(生长素和细胞分裂素)、适宜的温度和光照。 3．菊花组织培养实验的注意事项 (1)条件控制：植物组织培养过程中光照条件的控制非常重要，包括光照强度、光照时间和波长。在形成愈伤组织的脱分化阶段往往需要暗培养，而在再分化的过程中一定要有光照。脱分化阶段的暗培养有利于细胞的脱分化，产生愈伤组织，因为在光照条件下细胞容易分化产生维管组织，不利于产生大量的愈伤组织。再分化阶段要有光照，这样有利于诱导形成叶绿素。 (2)取材：含形成层(分生组织)的部位易于诱导形成愈伤组织。尽管植物体其他已分化的部位也可以用于组织培养，但诱导愈伤组织的形成比较困难。 (3)消毒和灭菌：培养基中含有丰富的营养物质，不仅有利于培养物的生长，也有利于各种杂菌的生长。一旦污染，迅速生长的各种杂菌不仅会与培养物争夺营养，而且会产生大量对培养物有害的物质，导致培养物死亡。 (4)植物激素的作用 生长素与细胞 分裂素的比值 作用效果 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 比值适中时 促进愈伤组织形成 [典题应用] 3．植物组织培养过程的原理、顺序及诱导的植物激素分别是(　　) ①体细胞全能性　②离体植物器官、组织或细胞　③根、芽　④生长素和细胞分裂素　⑤生长素和乙烯　⑥愈伤组织　⑦再分化 ⑧脱分化　⑨植物体 A．①、②⑦⑥⑧③⑨、④ B．①、②⑧⑥⑦③⑨、④ C．①、⑥②⑨⑧③⑦、⑤ D．①、②⑨⑧⑥⑦③、⑤ 解析：选B　植物组织培养的原理是植物细胞的全能性；培养过程的顺序是离体植物器官、组织或细胞经脱分化形成愈伤组织，愈伤组织再分化得到根、芽，由根、芽分化成植物体；所用到的激素是生长素和细胞分裂素。 4．下图为某二倍体植株花药中未成熟的花粉在适宜培养基上形成完整植株的过程。有关叙述正确的是(　　) A．过程①②表示脱分化，过程③表示再分化 B．过程①②需要避光，过程③需要光照 C．过程①②③说明花粉细胞具有全能性 D．过程③获得的完整植株自交后代不会发生性状分离 解析：选C　过程①表示脱分化，过程②表示再分化，过程③表示诱导生根和细胞增殖；过程①需要避光，过程②③需要光照，以有利于芽中形成叶绿素；过程③获得的单倍体植株具有高度不育的特点。 5．韧皮部细胞是高度分化的植物细胞，用韧皮部细胞进行组织培养可以形成愈伤组织，下列叙述错误的是(　　) A．该愈伤组织是细胞经过脱分化和细胞分裂形成的 B．该愈伤组织的细胞没有全能性 C．该愈伤组织由排列疏松的薄壁细胞组成 D．该愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构 解析：选B　愈伤组织是由离体的植物器官、组织或细胞通过细胞分裂产生的，此过程称为植物细胞的脱分化。愈伤组织中的细胞排列疏松而无规则，主要是一种高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞。愈伤组织中虽然有些细胞发生分化，但仍具有全能性，在一定条件下继续培养，细胞会发生再分化，生成芽和根，进而发育成完整植株。愈伤组织的形态发生方式主要有不定芽方式和胚状体方式两种。其中，胚状体方式是指由愈伤组织细胞诱导分化出具有胚芽、胚根和胚轴的胚状结构，进而长成完整植株。 新知探究三　植物体细胞杂交技术 　下图为植物体细胞杂交过程示意图，请思考回答： (1)将植物细胞A和植物细胞B融合时，首先遇到的障碍是什么？用什么方法可以解除此障碍？ 提示：细胞壁阻碍细胞间的融合。用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。 (2)从结果上看杂种植株在遗传上有何特点？从杂种植株的染色体组成上看属于何种变异？ 提示：①遗传物质来自两个亲本，具有双亲的遗传性状。②染色体数目增加，属于染色体数目的变异。 (3)从新品种培育的角度分析，植物体细胞杂交技术最大的优点是什么？ 提示：克服了不同种植物远缘杂交的障碍，使不同种植物杂交成为可能。 (4)为什么两个原生质体能发出融合，这与细胞膜的什么特性有关？ 提示：原生质体发生融合与细胞膜的流动性有关。 [核心归纳] 1．植物组织培养和植物体细胞杂交的比较 名称 植物组织培养 植物体细胞杂交 原理 植物细胞的全能性 细胞膜具有一定的流动性和植物细胞的全能性 过程 选材 选取根尖、茎尖形成层部位最容易诱导脱分化 不同植物细胞融合后形成的杂种细胞 技术 操作 脱分化、再分化等 除脱分化、再分化外，还要用酶解法去除细胞壁，用一定的方法诱导细胞融合 关系 植物组织培养是植物体细胞杂交的基础，植物体细胞杂交所用的技术更复杂 2.植物体细胞杂交过程中的注意事项 (1)植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖且浓度略大于植物细胞质浓度，不仅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。 (2)体细胞融合后培养基中共有5种细胞类型(A、B、AA、BB、AB)，其中融合细胞类型有3种(AA、BB、AB)，而真正符合要求的是AB，因此要对融合细胞进行筛选。 (3)体细胞杂交过程中涉及的遗传知识： ①从生殖类型上看，植物体细胞杂交技术没有生殖细胞的形成和结合，应属于无性生殖，变异类型应是染色体数目的变异，形成的是异源多倍体，由于含有两个亲本的遗传物质，因此理论上应具有两个亲本的遗传性状。 ②体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管染色体、基因组还是染色体组都是两亲本之和。若一植物细胞含有2x条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb，另一植物细胞含有2y条染色体，2个染色体组，基因型为ccDd，则新植株应为异源四倍体，其体细胞中染色体为(2x＋2y)条，4个染色体组，基因型为AabbccDd。 ③培育新品种的过程中，遗传物质的传递不遵循孟德尔的遗传定律，只有在有性生殖进行减数分裂过程中才符合遗传定律，而体细胞杂交没有此过程。 [典题应用] 6．下图表示利用植物体细胞杂交技术获得杂种植物白菜－甘蓝的过程，以下说法错误的是(　　) A．①过程表示利用酶解法去除细胞壁获得原生质体的过程 B．②过程常用聚乙二醇诱导原生质体融合 C．③过程中高尔基体活动旺盛 D．最终获得的杂种植物体细胞内含19条染色体 解析：选D　图中①是去除细胞壁的过程，常利用酶解法(纤维素酶和果胶酶)去除细胞壁获得原生质体，故A项正确；②是诱导原生质体融合的过程，常用的诱导方法有物理法(电刺激、离心、振动)和化学法(聚乙二醇，高Ca2＋—高pH融合法)，故B项正确；③是形成新细胞壁的过程，植物细胞中高尔基体与细胞壁的形成有关，因此该过程中高尔基体活动旺盛，故C项正确；最终获得的杂种植物体细胞内含有两个亲本的全部遗传物质，即含有20＋18＝38条染色体，故D项错误。 7．下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 解析：选B　乙植物细胞具有2对分别位于2对同源染色体上的等位基因，该植物通过减数分裂能产生YR、Yr、yR、yr 4种不同类型的花粉；甲、乙是2个不同物种的植物，甲、乙杂交得到的植物为异源二倍体，减数分裂时由于联会紊乱，不能产生精子和卵细胞，因此不可育；植物细胞的细胞壁主要成分为纤维素和果胶，用纤维素酶和果胶酶可去除植物细胞的细胞壁；甲、乙植物均为二倍体，经植物体细胞杂交(两个体细胞融合)得到的细胞应含有四个染色体组，发育成的植物为四倍体，基因型为DdYyRr。 [核心语句必背] 1．植物组织培养的原理是植物细胞的全能性，主要过程包括脱分化和再分化。 2．植物细胞融合依据的生物学原理是细胞膜的流动性，融合成功的标志是杂种细胞再生出细胞壁。 3．植物体细胞杂交打破了生殖隔离，实现了远缘杂交育种。 1．植物细胞表现出全能性的必要条件是(　　) A．导入其他植物细胞的基因 B．将成熟的细胞核移植到去核的卵细胞中 C．用适当浓度的秋水仙素处理 D．脱离母体后，给予适宜的营养和适宜的温度等外界条件 解析：选D　 植物细胞只有脱离了植物体，在一定的外部因素作用下，经过细胞分裂形成愈伤组织，才能表现出全能性，由愈伤组织细胞发育成新的植物体。 2．下图为植物组织培养技术过程，有关说法不正确的是(　　) A．乙试管中细胞全能性最高 B．丁试管中培育出的个体都是纯合子 C．甲→乙的过程需要激素的刺激 D．甲→丁的细胞分裂都是有丝分裂 解析：选B　该过程为植物组织培养技术，能保持亲本的优良性状；甲→乙为愈伤组织的形成过程，愈伤组织的形成需要激素的刺激；甲→丁只发生有丝分裂，不发生减数分裂；丁试管中是否为纯合子取决于所选外植体的基因型。 3．下图示“番茄—马铃薯”杂种植株的培育过程，其中①～⑤表示过程，字母表示细胞、组织或植株。下列说法正确的是(　　) A．①表示低渗溶液中用酶解法处理植物细胞获得原生质体 B．e是一团有特定结构和功能的薄壁细胞 C．可根据质壁分离现象鉴别杂种细胞的细胞壁是否再生 D．植物有性杂交和体细胞杂交都能克服远缘杂交不亲和的障碍 解析：选C　原生质体在低渗溶液中会吸水胀破，应将细胞置于等渗溶液中进行酶解处理；e是植物细胞脱分化后形成的一种无特定结构和功能的薄壁细胞；质壁分离是指原生质层与细胞壁分离的现象，故可根据是否发生质壁分离现象来鉴定杂种细胞的细胞壁是否再生；植物有性杂交不能克服远缘杂交不亲和的障碍。 4．下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，相关叙述正确的是(　　) A．①阶段体现了细胞的全能性 B．②阶段需生长素而①阶段需细胞分裂素 C．①阶段细胞进行脱分化 D．此兰花的花药离体培养所得植株为二倍体 解析：选C　图中①阶段是脱分化，②、③阶段是再分化。已分化的细胞发育成完整个体才能体现细胞的全能性。三个阶段都需生长素和细胞分裂素，只是二者比例不同。此兰花的花药离体培养所得植株虽然含两个染色体组，但为单倍体。 5．如图是植物体细胞杂交过程示意图，如果A、B植物均为二倍体，据图分析回答： (1)图中所示过程的原理有：________________________________________。 (2)图中的①过程是_______________________________________________________。 (3)植物体细胞融合成功的标志是______________________，其产生与细胞内________(细胞器)有关。 (4)③和④过程分别是________和________的过程。则该杂交植物有________个染色体组。 (5)该技术的最显著优势是：________________________________________。 解析：(1)植物体细胞杂交过程中有原生质体A和原生质体B的融合过程，其原理是细胞膜具有流动性；将杂种细胞培育成新的个体，其原理是植物细胞具全能性。(2)图中的①过程是去除植物细胞的细胞壁，制备原生质体。(3)植物体细胞融合成功的标志是形成新的细胞壁，植物细胞壁的形成与高尔基体有关。(4)杂种细胞通过脱分化形成愈伤组织，再经再分化形成杂种植株。图中杂种植株是由两个二倍体的细胞融合成的杂种细胞培育成的新个体，含有四个染色体组。(5)植物体细胞杂交可以克服远缘杂交不亲和的障碍。 答案：(1)细胞膜具有流动性、植物细胞具全能性(缺一不可)　(2)(去壁)制备原生质体 (3)形成新的细胞壁　高尔基体　(4)脱分化　再分化　四　(5)克服远缘杂交不亲和的障碍 学科网（北京）股份有限公司 $