2027届高三生物人教版一轮复习导学案第38讲　植物细胞工程

该高中生物学高考复习学案系统梳理了植物细胞工程专题，涵盖植物组织培养、体细胞杂交等基本技术及快速繁殖、脱毒等应用，按科学史、原理、流程、应用逻辑架构知识，通过思维延伸问题链和判断对错任务驱动，引导学生自主构建知识网络，体现考点梳理的系统性和层次性。 亮点在于自主诊断工具和科学思维培养设计，如设置“判断对错”辨析原生质体培养等易错点，用“高根低芽中愈伤”简记激素作用规律，培养生命观念与科学思维。高考真题联接模块帮助学生自主诊断薄弱环节，教师可据此实施精准教学，提升备考实效。

第38讲　植物细胞工程 【思维导图】 考点一　植物细胞工程的基本技术 【夯实基础】 一、【生物科学史】细胞工程的发展历程 (一)植物细胞工程 1.理论奠基:1902年,哈伯兰特提出“细胞全能性”理论;1958年,斯图尔德等通过胡萝卜根韧皮部细胞的组织培养,首次成功培育出完整植株,证实了植物细胞的全能性。 2.技术突破:1960年,科金利用真菌纤维素酶分解番茄根的细胞壁,成功获得了原生质体;1971年,卡尔森诱导烟草种间原生质体融合,培育出首例体细胞杂种植株。 3.技术应用:20世纪70年代后,基于植物组织培养的克隆技术逐渐成熟,广泛应用于快速繁殖、作物脱毒(利用茎尖分生组织培养)、单倍体育种等领域(1974年,我国育成首个通过花药培养获得的单倍体烟草新品种)。 (二)动物细胞工程 1.早期奠基:1907年,哈里森采用淋巴囊液培养蝌蚪的神经元,首创了动物组织体外培养法;1951年,张明觉等发现哺乳动物精子在体外受精前需经历“获能”过程,为体外受精技术奠定了基础。 2.核心突破:1958年,格登通过非洲爪蟾的肠上皮细胞的细胞核移植实验,培育出可育个体,证实了已分化动物细胞核具有全能性;1975年,米尔斯坦和科勒等将B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,建立了单克隆抗体技术;1996年,世界首例体细胞克隆羊多莉诞生,明确证实了哺乳动物体细胞核的全能性。 3.前沿发展:1981年,埃文斯等成功分离并体外培养了小鼠的胚胎干细胞;2006年,山中伸弥等将特定转录因子导入成体细胞,诱导获得了诱导多能干细胞(iPS细胞)。 　　综上,细胞工程从早期的组织培养探索,到细胞融合、克隆技术的突破,再到诱导多能干细胞等前沿技术的发展,始终围绕“调控细胞功能、利用细胞潜能”不断突破,为生物医药、农业生产和生命科学研究提供了核心技术的支撑,且仍在向更精准、更高效的方向持续发展。 二、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 　细胞器　水平、细胞水平或组织水平  目的 获得特定的　细胞、组织、器官、个体　或其产品  分类 根据操作对象的不同分为植物细胞工程和动物细胞工程 三、植物组织培养技术 1.理论基础——植物细胞的全能性 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  原理 细胞内含有本物种的　全部遗传信息　  全能性表 达条件 具有完整的细胞结构,处于　离体　状态,提供一定的营养、激素和其他适宜外界条件  2.定义和流程 (1)定义 (2)流程 3.探究实践——菊花的组织培养 (1)过程 (2)生长素、细胞分裂素对植物组织培养的影响 ①按照不同的顺序使用这两类激素,会得到不同的实验结果。 使用顺序 实验结果 先使用生长素,后使用细胞分裂素 有利于细胞分裂,但细胞不分化 先使用细胞分裂素,后使用生长素 细胞既分裂也分化 同时使用 分化频率提高 简记为:先“生”分裂不分化,后“生”分裂又分化,同“使”分化频率高 ②当同时使用这两类激素时,两者用量的比例影响植物细胞的发育方向。 生长素/细 胞分裂素 植物组织的发育方向 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:“高”根,“低”芽,“中”愈伤 【思维延伸】 (1)(选择性必修3 P36“探究·实践”)在植物组织培养过程中,为什么要进行一系列的灭菌,并且要求无菌操作?　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)植物组织培养时通常选择茎尖、芽尖等作为外植体,原因是　茎尖、芽尖细胞分化程度低,容易诱导产生愈伤组织　。  (3)植物组织培养中所需的碳源一般为蔗糖,少数为葡萄糖和果糖,原因是　蔗糖既可提供充足的碳源,又可维持相对适中的渗透压,而葡萄糖和果糖在与蔗糖提供相同数量碳源的前提下,造成的渗透压可能过高　。  【判断对错】 (1)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。 (√) (2)(2025·甘肃卷,T21)对水稻外植体(幼胚)消毒时需依次使用酒精、次氯酸钠处理。 (√) (3)利用花药离体培养获得的单倍体幼苗,一定高度不育。 (×) 　　【提示】 若亲本为四倍体,其经花药离体培养获得的单倍体含2个染色体组,可正常联会配对,可产生可育配子。 (4)制备原生质体时需去除细胞壁,故原生质体培养无须添加蔗糖等渗透压调节剂。 (×) 　　【提示】 原生质体无细胞壁,需调节渗透压防止死亡。 (5)植物组织培养中,脱分化形成愈伤组织的过程需避光,故再分化过程也必须避光。 (×) 　　【提示】 植物组织培养过程中脱分化一般需要避光,再分化需要光照。 四、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.基本过程 3.优点和局限性 (1)优点:打破　生殖隔离　,实现　远缘杂交育种　,培育植物新品种。  (2)局限性:目前有许多理论和技术问题未解决,还不能让杂种植株按照人们的需求表现出双亲的杂合性状。 【概念解读】 植物体细胞杂交中的三个注意点 (1)遗传物质的变化:虽然经植物体细胞杂交形成的杂种细胞具有两种细胞的遗传物质,但这些遗传物质并不一定都表达。 (2)染色体数的变化:经植物体细胞杂交形成的杂种细胞,其染色体数、染色体组数一般都采用直接相加的方 法计算。例如,若一个植物细胞含有2x条染色体,2个染色体组,基因型为Aabb,另一个植物细胞含有2y条染色体,2个染色体组,基因型为ccDd,则新植株应为四倍体,其体细胞中染色体数为2x+2y,染色体组数为4,基因型为AabbccDd。 (3)细胞在融合时,染色体往往会丢失一部分。 【比较归纳】 比较植物组织培养和植物体细胞杂交 名称 植物组织培养 植物体细胞杂交 原理 细胞的全能性 细胞膜具有一定的流动性和细胞的全能性 主要 过程 离体的植物器官、组织或细胞经植物组织培养形成植物体 两种植物的体细胞去壁融合形成的杂种细胞经植物组织培养形成杂种植株 选材 选取根尖、茎尖、形成层部位,最容易诱导脱分化 不同种的植物体细胞 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,用一定的方法诱导原生质体融合 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 【高考联接】 一、植物组织培养技术 1.(2025·江苏卷,T4)下图表示一种植物的组织培养周期,①~③表示相应过程。下列相关叙述错误的是()。 A.过程①发生了细胞的脱分化和有丝分裂 B.过程②经细胞的再分化形成不同种类的细胞 C.过程②③所用培养基的成分、浓度相同 D.培养基中糖类既能作为碳源,又与维持渗透压有关 　　【答案】 C 　　【解析】 过程①形成了愈伤组织,发生了细胞的脱分化,此时细胞还进行有丝分裂,A正确;过程②是愈伤组织经再分化形成胚状体的过程,故过程②经再分化形成不同种类的细胞,B正确;过程②③所用培养基的成分、浓度不完全相同,如细胞分裂素和生长素的浓度不同,C错误;培养基中常加入蔗糖,蔗糖既能作为碳源,又与维持渗透压有关,D正确。 2.(2025·浙江卷1月,)某研究小组进行微型月季的快速繁殖研究,结果如表所示。 流程 最佳措施或最适培养基 ①外植体腋芽消毒 75%乙醇浸泡30 s+5% NaClO浸泡6 min ②诱导出丛生苗 MS+3.0 mg·L-1 6-BA+0.05 mg·L-1 NAA ③丛生苗的扩增 MS+2.0 mg·L-1 6-BA+0.1 mg·L-1 NAA ④丛生苗的生根 1/2MS+0.25 mg·L-1IBA+0.25 mg·L-1 NAA 注:丛生苗为丛状生长的幼苗,IBA(吲哚丁酸)为生长素类物质。 下列叙述正确的是()。 A.流程①的效果仅取决于消毒剂浓度 B.流程②不需要经过脱分化形成愈伤组织的阶段 C.与流程②相比,流程③培养基中细胞分裂素类与生长素类物质的比值更大 D.与流程③相比,提高流程④培养基的盐浓度有利于丛生苗的生根 　　【答案】 B 　　【解析】 流程①中消毒效果不仅取决于消毒剂浓度,还取决于消毒时间和消毒剂的种类,A错误;流程②不需要经过脱分化形成愈伤组织的阶段,可经腋芽直接分化为丛生苗,B正确;与流程②相比,流程③培养基中细胞分裂素类物质与生长素类物质的比值更小,C错误;与流程③相比,提高流程④培养基的IBA浓度有利于丛生苗的生根,D错误。 二、植物体细胞杂交技术(高频) 1.(2025·四川卷,T6)研究人员用花椰菜(BB,2n=18)根与黑芥(CC,2n=16)叶片分别制备原生质体,经PEG诱导融合形成杂种细胞,进一步培养获得再生植株,其中的植株N经鉴定有33条染色体。下列叙述正确的是()。 A.两个原生质体融合形成的细胞即为杂种细胞 B.再生植株N的形成证明杂种细胞仍具有全能性 C.花椰菜和黑芥的原生质体能融合,证明两种植物间不存在生殖隔离 D.植株N的B组和C组染色体不能正常联会配对,无法产生可育配子 　　【答案】 B 　　【解析】 两个原生质体融合形成的细胞不一定是杂种细胞,有可能是两个花椰菜原生质体融合或两个黑芥原生质体融合,A错误;杂种细胞经过培养形成再生植株N,这证明了杂种细胞仍具有全能性,B正确;花椰菜和黑芥是不同物种,它们之间存在生殖隔离,C错误;植株N的染色体组成是BBCC,存在同源染色体,在减数分裂时能正常联会配对,能产生可育配子,D错误。 2.(2024·湖北卷,T11)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中酶处理的时间有差异,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正确;过程②为原生质体的融合,常用PEG诱导植物原生质体融合,灭活的仙台病毒可用于诱导动物细胞融合,不能用于植物,B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,但在两个过程中二者的比例不同,C正确;植物丙是植物甲和植物乙通过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正确。 考点二　植物细胞工程的应用 【夯实基础】 1.植物繁殖的新途径 【思维延伸】 (1)(选择性必修3 P40正文拓展)作物培养过程中为什么要进行作物脱毒?　对于无性繁殖的作物而言,病毒在作物体内逐年积累,会导致作物产量降低、品质变差　。  (2)从所需条件上来看,与传统育种方法相比,快速繁殖技术的优点有哪些?　快速繁殖是指在具有一定人工设施的室内生产,可以不受季节、气候等自然条件的限制　。  (3)在对菊花进行快速繁殖时,既可采用菊花的绿色叶片,也可采用其黄色花瓣作外植体,在一定条件下进行组织培养,均能获得绿色的试管苗,其中的原理是什么?　绿色叶片和黄色花瓣的细胞都具有全能性,在一定条件下都能发育成完整的植株,在光照的诱导下,与叶绿素合成有关的基因表达,使植株呈现绿色　。  【判断对错】 (1)脱毒苗培育所选的组织培养材料可以来自植株的任何部位。 (×) 　　【提示】 植物顶端分生区附近的病毒极少,甚至无病毒,需要用茎尖等分生区部位进行组织培养获得脱毒苗。 (2)(2025·河北卷,T13)利用组织培养技术可实现兰花的快速繁殖和优良性状的保持。 (√) 【提醒】脱毒苗≠抗毒苗 ①脱毒苗是选择植物的分生区如茎尖(刚形成,病毒含量极少,甚至无病毒)进行组织培养而获得的,属于细胞工程的范畴。脱毒苗只是体内不含病毒,但并不意味着其能抵抗病毒的侵染。②抗毒苗是把抗某病毒的基因导入受体细胞中,并通过一定的方法培养形成的,属于基因工程的范畴,但转入抗病毒基因的植物细胞也需经植物组织培养才能得到抗病毒的植株。 2.作物新品种的培育 【判断对错】 (1)单倍体育种和突变体培育的遗传学原理是一致的。 (×) 　　【提示】 单倍体育种和突变体培育的遗传学原理分别是染色体变异、基因突变。 (2)通过植物体细胞杂交培育的“白菜—甘蓝”杂种植株,一定同时具备白菜的耐寒性和甘蓝的抗病性。 (×) (3)利用植物细胞工程培育的转基因抗虫棉,其抗虫基因仅存在于叶肉细胞中,根细胞中不含该基因。 (×) 　　【提示】 转基因植物的外源基因通常整合到基因组中,可随细胞分裂传递至所有体细胞。 3.细胞产物的工厂化生产 (1)次生代谢物:一类　小分子　有机化合物,在植物抗病、抗虫等方面发挥作用,也是很多药物、香料和色素等的重要来源。一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物。  (2)生产的技术手段——植物细胞培养 【判断对错】 利用植物细胞培养生产紫杉醇时,培养至愈伤组织即可,无须诱导其分化为完整植株。 (√) 【深化探究】 骆驼蓬分布在干旱和半干旱地区,能防风固沙。骆驼蓬合成的多种生物碱(次生代谢物)具有抗肿瘤作用。科研人员利用骆驼蓬下胚轴进行育苗和生物碱提取,过程如下图,下列说法正确的是()。 A.骆驼蓬下胚轴切段需依次用酒精和次氯酸钠进行消毒处理 B.除培养基中植物激素比例不同外,过程①③的其他条件相同 C.获得两种产品所用的技术原理相同,生物碱不是植物生长所必需的 D.必须先诱导愈伤组织生根,再诱导其生芽,进一步诱导形成幼苗 　　【答案】 A 　　【解析】 为避免杂菌污染,对外植体进行消毒处理的操作为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,A正确;过程①和③的外界培养条件不同,过程①不需要光照,过程③需要光照,B错误;利用骆驼蓬下胚轴培育幼苗所用的技术原理是植物细胞的全能性,而生产生物碱所用的技术是植物细胞培养,其原理为细胞增殖,C错误;为提高成活率,植物组织培养过程一般先诱导愈伤组织生芽,再诱导生根,D错误。 【易错提醒】 (1)混淆脱分化与再分化的条件,仅关注激素比例差异,忽略脱分化需避光、再分化需光照的关键环境要求。 (2)分不清植物组织培养(原理为细胞全能性,目标是获得完整植株)与植物细胞培养(原理为细胞增殖,目标是获得次生代谢物)的原理和目标,导致概念误判。 (3)对再分化过程生根、生芽顺序存在认知偏差,误认为必须先生根再生芽,忽视先芽后根、同时诱导根芽(胚状体途径)的可能性。 【高考联接】 一、作物脱毒 (2024·浙江卷1月,T8)山药在生长过程中易受病毒侵害导致品质和产量下降。采用组织培养技术得到脱毒苗,可恢复其原有的优质高产特性,流程如图。下列操作不可行的是()。 外植体→愈伤组织→丛生芽→试管苗 A.选择芽尖作为外植体可减少病毒感染 B.培养基中加入抗生素可降低杂菌的污染 C.将丛生芽切割后进行继代培养可实现快速繁殖 D.提高生长素和细胞分裂素的比值可促进愈伤组织形成丛生芽 　　【答案】 D 　　【解析】 芽尖等分生组织分裂旺盛,且含病毒少,取材时常选用其作为外植体,A正确。培养基中有大量的营养物质,容易被细菌污染,加入抗生素可降低杂菌的污染,B正确。将丛生芽切割后转移到新的培养基上继续进行扩大培养称为继代培养,每进行一次继代培养,培养物一般能增殖3~4倍。正因为培养物可以不断继代培养,所以离体繁殖速度比常规方法通常要快数万倍,可实现快速繁殖,C正确。提高生长素和细胞分裂素的比值可促进愈伤组织形成根,而不是芽,D错误。 二、作物新品种的培育 (2024·安徽卷,T10)甲是具有许多优良性状的纯合品种水稻,但不抗稻瘟病(rr),乙品种水稻抗稻瘟病(RR)。育种工作者欲将甲培育成抗稻瘟病并保留自身优良性状的纯合新品种,设计了下列育种方案,合理的是()。 ①将甲与乙杂交,再自交多代,每代均选取抗稻瘟病植株 ②将甲与乙杂交,F1与甲回交,选F2中的抗稻瘟病植株与甲再次回交,依次重复多代;再将选取的抗稻瘟病植株自交多代,每代均选取抗稻瘟病植株　③将甲与乙杂交,取F1的花药离体培养获得单倍体,再诱导染色体数目加倍为二倍体,从中选取抗稻瘟病植株　④向甲转入抗稻瘟病基因,筛选转入成功的抗稻瘟病植株自交多代,每代均选取抗稻瘟病植株 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A.①② B.①③ C.②④ D.③④ 　　【答案】 C 　　【解析】 甲是具有许多优良性状的纯合品种水稻,但不抗稻瘟病(rr),乙品种水稻抗稻瘟病(RR),两者杂交,子代为具有优良性状的杂合子且抗稻瘟病(Rr),若让其不断自交,每代均选取抗稻瘟病植株,则得到的子代为抗稻瘟病植株,但其他优良性状不一定纯合,①错误。将甲与乙杂交,F1与甲回交,F2中的抗稻瘟病植株与甲再次回交,依次重复多代,可得到具有其他许多优良性状的纯合品种水稻,但抗稻瘟病性状可能为纯合或杂合;再将选取的抗稻瘟病植株自交多代,每代均选取抗稻瘟病植株,可得到抗稻瘟病并保留自身优良性状的纯合新品种,②正确。将甲与乙杂交,取F1的花药离体培养获得单倍体,再诱导染色体数目加倍为纯合二倍体,从中可选取抗稻瘟病植株,但不能保证其他优良性状纯合,③错误。甲是具有许多优良性状的纯合品种水稻,向甲转入抗稻瘟病基因,则抗稻瘟病植株相关基因为杂合,筛选转入成功的抗稻瘟病植株自交多代,每代均选取抗稻瘟病植株,可获得所需新品种,④正确。综上,C合理。 三、细胞产物的工厂化生产 1.(2025·黑吉辽内蒙古卷,T8)利用植物组织培养技术获得红豆杉试管苗,有助于解决紫杉醇药源短缺问题。下列叙述正确的是()。 A.细胞分裂素和生长素的比例会影响愈伤组织的形成 B.培养基先分装到锥形瓶,封口后用干热灭菌法灭菌 C.芽原基细胞由于基因选择性表达,不能用作外植体 D.紫杉醇不能通过细胞产物的工厂化生产来获取,植物组织培养优势明显 　　【答案】 A 　　【解析】 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,A正确。培养基采用高压蒸汽灭菌法灭菌,干热灭菌法适用于耐高温且干燥的物品(如玻璃器皿),B错误。外植体可以是植物的任何活细胞、组织或器官,只要具有全能性。芽原基细胞是分生组织的一部分,可作为外植体。基因的选择性表达是细胞分化的基础,不影响其作为外植体的能力,C错误。细胞产物的工厂化生产正是通过植物细胞培养技术实现的,如大量培养红豆杉细胞,从培养液中提取紫杉醇,因此紫杉醇可通过此方法获取,D错误。 2.(2025·湖北卷,T5)水母雪莲是我国的一种名贵药材,主要活性成分为次生代谢物黄酮。水母雪莲生长缓慢,长期的掠夺性采挖导致该药材资源严重匮乏。研究人员开展了悬浮培养水母雪莲细胞合成黄酮的工程技术研究,结果如表所示。下列叙述错误的是()。 转速/(r·min-1) 55 65 75 85 相对生长速率 0.21 0.25 0.26 0.25 细胞干重/(g·L-1) 7.5 9.7 11.4 9.5 黄酮产量/(g·L-1) 0.20 0.27 0.32 0.25 A.黄酮产量与细胞干重呈正相关 B.黄酮是水母雪莲细胞生存和生长所必需的 C.氧气供给对于水母雪莲细胞生长、分裂和代谢是必需的 D.转速为75 r ·min-1时既利于细胞分裂,又利于黄酮的积累 　　【答案】 B 　　【解析】 分析题表可知,黄酮产量随着细胞干重的增加而增加,因此黄酮产量与细胞干重呈正相关,A正确;黄酮属于次生代谢物,并非水母雪莲细胞生存和生长所必需的,B错误;氧气参与有氧呼吸,为细胞生长、分裂和代谢提供能量,所以氧气供给对于水母雪莲细胞生长、分裂和代谢是必需的,C正确;转速为75 r· min-1时,相对生长速率、细胞干重和黄酮产量均最高,所以转速为75 r· min-1时既利于细胞分裂,又利于黄酮的积累,D正确。 1 学科网（北京）股份有限公司 $