2023届高考生物二轮复习第18讲细胞工程学案

第18讲　细胞工程

热点一　植物细胞工程

 [情境引领]

研究者拟通过有性杂交的方法将簇毛麦(2n=14)的优良性状导入普通小麦(2n=42)中。用簇毛麦花粉给数以千计的小麦小花授粉,10天后只发现两个杂种幼胚,将其离体培养,产生愈伤组织,进而获得含28条染色体的大量杂种植株。判断下列叙述正误。

(1)簇毛麦与普通小麦之间不存在生殖隔离。(　×　)

提示:簇毛麦与普通小麦的后代在减数分裂时染色体联会紊乱,配子不可育,故二者之间存在生殖隔离。

(2)培养过程中幼胚细胞经过脱分化和再分化形成愈伤组织。(　×　)

提示:幼胚细胞经过脱分化形成愈伤组织,愈伤组织经过再分化形成胚状体,从而得到完整植株。

(3)杂种植株的培育过程中用到了植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术。(　×　)

提示:杂种植株的培育过程中用到了植物组织培养技术,但没有用到植物体细胞杂交技术。

(4)若要获得可育的杂种植株可用秋水仙素诱导染色体加倍。(　√　)

(5)若要获得可育的杂种植株可通过植物体细胞杂交技术直接将簇毛麦和普通小麦的细胞融合。(　√　)

 [基础巩固]

1.植物组织培养技术

(1)原理:植物细胞的全能性。

(2)过程:外植体完整植株。

2.植物体细胞杂交技术

(1)原理:细胞膜的流动性,植物细胞的全能性。

(2)过程。

3.植物细胞工程的四点注意

 [思维拓展]

1.为什么“番茄—马铃薯”没有像想象的那样,地上结番茄,地下长马铃薯?

提示:生物基因之间相互调控、相互影响。

2.与常规的种子繁殖方法相比,用植物组织培养快速繁殖技术的特点是什么?

提示:能保持植物原有的遗传特性,繁殖速度快。

3.细胞产物的工厂化生产中从哪个阶段获取细胞产物?

提示:愈伤组织阶段。

基于植物组织培养技术、植物体细胞杂交技术的过程和原理考查识记与理解能力

1.以四倍体(基因型为AAaa)植株的花药为外植体经植物组织培养获得植株的过程如图所示,下列相关叙述不正确的是(　D　)

A.②③过程培养基中的激素比例以及光照条件均不同

B.④可获得三种基因型的植株,且其比例为AA∶Aa∶aa=1∶4∶1

C.将花药换成植物的茎尖可获得脱毒苗,但并不意味着其能抗病毒

D.此图示过程即为单倍体育种过程,育种原理为染色体变异

解析:脱分化形成愈伤组织一般不需要光照,再分化形成芽、根需要光照,脱分化与再分化中生长素和细胞分裂素的比例不同;四倍体(基因型为AAaa)植株的花药有AA∶Aa∶aa=1∶4∶1;植物的茎尖含病毒很少,甚至不含病毒,可以用来培育脱毒苗,而不能获得抗病毒的脱毒苗;图示过程仅为花药离体培养过程,不是单倍体育种过程。

2.(2020·山东卷)两种远缘植物的细胞融合后会导致一方的染色体被排出。若其中一个细胞的染色体在融合前由于某种原因断裂,形成的染色体片段在细胞融合后可能不会被全部排出,未排出的染色体片段可以整合到另一个细胞的染色体上而留存在杂种细胞中。依据该原理,将普通小麦与耐盐性强的中间偃麦草进行体细胞杂交获得了耐盐小麦新品种,过程如图所示。下列说法错误的是(　C　)

A.过程①需使用纤维素酶和果胶酶处理细胞

B.过程②的目的是使中间偃麦草的染色体断裂

C.过程③中常用灭活的病毒诱导原生质体融合

D.耐盐小麦的染色体上整合了中间偃麦草的染色体片段

解析:植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶,因此过程①需用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁获得原生质体;紫外线属于诱发变异的物理因素,紫外线照射的目的是使中间偃麦草的染色体断裂;过程③为诱导植物原生质体融合,常用离心、电融合、聚乙二醇作为诱导剂等方式处理,不用灭活的病毒诱导;普通小麦没有耐盐基因,耐盐小麦的形成是将来自中间偃麦草的含有耐盐基因的染色体片段整合到普通小麦染色体上的结果。

热点二　动物细胞工程

 [情境引领]

如图表示通过核移植等技术获得克隆高产奶牛的流程图。判断下列叙述正误。

(1)取高产奶牛的体细胞,用纤维素酶和果胶酶处理动物组织使其分散成单个细胞。(　×　)

提示:用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理动物组织使其分散成单个细胞。

(2)为防止培养过程中的污染,培养液中添加一定量的抗生素。(　√　)

(3)采集卵母细胞,在体外培养到减数分裂Ⅰ中期去核。(　×　)

提示:一般要在卵母细胞培养至减数分裂Ⅱ中期采用显微操作去核。

(4)获得的克隆犊牛与供体高产奶牛遗传物质完全相同。(　×　)

提示:获得的克隆犊牛与供体高产奶牛遗传物质大部分相同,还有部分细胞质遗传物质来自受体母牛。

(5)用于核移植的供体细胞一般选传代10代以内的细胞。(　√　)

(6)动物细胞培养时加入CO2的主要作用是维持培养液的pH。(　√　)

 [基础巩固]

1.动物细胞培养的条件和过程

(1)胰蛋白酶的两次使用:首先用胰蛋白酶处理动物的器官或组织,以制备单细胞悬液;培养过程中发生接触抑制时,同样要用胰蛋白酶处理使细胞分散开。

(2)避免杂菌污染的措施:培养液及所有培养用具进行灭菌处理;加入一定量的抗生素;定期更换培养液。

(3)特殊的营养条件。

①液体培养基。

②加入血清、血浆等。

③通入O2以满足代谢的需要。

④通入CO2以维持培养液的pH。

(4)培养过程。

2.单克隆抗体的制备过程和特点

(1)制备过程。

(2)单克隆抗体的特点:能准确地识别抗原的细微差异,与特定抗原发生特异性结合,并且可以大量制备。

 [思维拓展]

1.动物细胞培养时用胃蛋白酶分散细胞行吗?为什么?

提示:不行。胃蛋白酶适于在较强的酸性条件下发挥作用,而较强的酸性条件会对细胞造成伤害。

2.治疗性克隆是指把患者体细胞的细胞核移植到去核卵母细胞中,构建形成重组胚胎,科学家将患者的体细胞的细胞核植入去核的卵细胞中,而不是直接用体细胞进行细胞培养的原因是什么?

提示:体细胞的细胞核在体细胞中不能表现全能性,而卵细胞的细胞质可以给它提供表现全能性的环境。

基于动物细胞培养的过程和原理考查识记与理解能力

1.(2022·湖北卷)某兴趣小组开展小鼠原代神经元培养的研究,结果发现其培养的原代神经元生长缓慢,其原因不可能的是(　A　)

A.实验材料取自小鼠胚胎的脑组织

B.为了防止污染将培养瓶瓶口密封

C.血清经过高温处理后加入培养基

D.所使用的培养基呈弱酸性

解析:小鼠胚胎的脑组织中含有丰富的神经元,细胞增殖能力强,不会发生生长缓慢现象;培养瓶瓶口密封会使培养液中缺氧,影响细胞有氧呼吸,造成供能不足,可能使细胞生长缓慢;血清经过高温处理后,其中活性成分变性,失去原有功能,细胞生存环境严重恶化,可能使细胞生长缓慢;小鼠内环境为弱碱性,所使用的培养基呈弱酸性,细胞生存的环境恶劣,可能会造成细胞生长缓慢。

2.(不定项)小鼠胚胎干细胞经定向诱导可获得多种功能细胞,制备流程如图所示。下列有关叙述错误的是(　ACD　)

A.为获得更多的囊胚,可注射孕激素促进雌鼠产生更多的卵子

B.胚胎干细胞和诱导出的各种细胞都需在CO2培养箱中进行培养

C.用胰蛋白酶将细胞a的膜蛋白消化后可获得分散的胚胎干细胞

D.细胞a、b均可诱导分化为各种类型的细胞

解析:为获得更多的囊胚,可注射促性腺激素促进雌鼠产生更多的卵子;用胰蛋白酶将细胞a周围的胶原蛋白水解后,而不是将膜蛋白水解,可获得分散的胚胎干细胞;细胞a是内细胞团细胞,具有全能性,细胞b是滋养层细胞不具有全能性。

基于单克隆抗体制备的过程和方法考查推理与理解能力

3.(2022·山东卷)如图所示,将由2种不同的抗原分别制备的单克隆抗体分子,在体外解偶联后重新偶联可制备双特异性抗体,简称双抗。下列说法错误的是(　D　)

A.双抗可同时与2种抗原结合

B.利用双抗可以将蛋白类药物运送至靶细胞

C.筛选双抗时需使用制备单克隆抗体时所使用的2种抗原

D.同时注射2种抗原可刺激B细胞分化为产双抗的浆细胞

解析:根据抗原和抗体发生特异性结合的原理推测,双抗可同时与2种抗原结合;根据抗原与抗体能够发生特异性结合的特性,利用双抗可以将蛋白类药物运送至靶细胞,从而使药物发挥相应的作用;由于双抗是抗体1和抗体2在体外解偶联后重新偶联制备的,而抗体1、抗体2是在两种不同的抗原刺激下,B细胞增殖、分化产生不同的浆细胞分泌的,因此,筛选双抗时需使用制备单克隆抗体时所使用的2种抗原来进行抗原—抗体检测,从而实现对双抗的筛选;同时注射2种抗原可刺激B细胞分化形成不同的浆细胞,而不是分化为产双抗的浆细胞。

4.为制备抗犬冠状病毒(CCV,RNA病毒)特异性单克隆抗体,以灭活的CCV为抗原免疫小鼠4次,将提取的小鼠B淋巴细胞与骨髓瘤细胞用聚乙二醇诱导细胞融合,通过两次筛选获得抗体阳性的杂交瘤细胞,经克隆化培养,获得稳定分泌抗CCV单克隆抗体的杂交瘤细胞。下列叙述正确的是(　D　)

A.免疫小鼠4次的目的是增加小鼠体内的单克隆抗体的量

B.实验中使用的B淋巴细胞和骨髓瘤细胞在单独培养时均会出现接触抑制现象

C.诱导后需进行两次筛选,第一次筛选的目的是筛选出既能无限增殖又能产生所需抗体的杂交瘤细胞

D.利用CCV对杂交瘤细胞进行抗原—抗体检测可获得分泌特定抗体的杂交瘤细胞

解析:免疫小鼠4次的目的是通过多次免疫,使小鼠体内能够产生更多的能产生特异性抗体的B淋巴细胞;骨髓瘤细胞在单独培养时不会出现接触抑制现象;诱导后需进行多次筛选,第一次筛选的目的是筛选出融合的杂交瘤细胞,并不能筛选出能产生所需抗体的杂交瘤细胞;抗原能和抗体特异性结合,所以利用CCV对杂交瘤细胞进行抗原—抗体检测可获得分泌特定抗体的杂交瘤细胞。

基于动物体细胞核移植技术过程考查推理与理解能力

5.如图是利用体细胞核移植技术克隆优质奶牛的简易流程图,下列有关叙述正确的是(　B　)

A.后代丁牛的遗传性状由甲牛和丙牛的遗传物质共同决定

B.过程①需要提供95%空气和5%CO2的混合气体

C.过程②常使用显微操作去核法对受精卵进行处理

D.过程③将激活后的重组细胞培养至原肠胚后移植

解析:后代丁牛的细胞核的遗传物质来自甲牛,细胞质的遗传物质来自乙牛,则丁牛的遗传性状由甲牛和乙牛的遗传物质共同决定;动物细胞培养中需要提供95%空气(保证细胞的有氧呼吸)和5%CO2(维持培养液的pH)的混合气体;过程②常使用显微操作去核法对卵母细胞进行处理;过程③将激活后的重组细胞培养至桑葚胚或囊胚后移植。

6.如图是利用体细胞核移植技术获得克隆奶牛的流程图。下列叙述错误的是(　D　)

A.过程①除去的是卵母细胞中的纺锤体—染色体复合物

B.过程②需要对供体细胞进行离体培养

C.过程④可用电刺激技术处理

D.过程⑤要求代孕母牛具有较多的优良性状

解析:过程①可用显微操作去核法除去卵母细胞中的纺锤体—染色体复合物,从而确保为重组细胞提供的只是细胞质部分;过程②需要对供体细胞进行离体培养,一般选择10代以内的细胞,因为此时的细胞能保持正常的二倍体核型;重构胚是指人工重新构建的胚胎,具有发育成完整个体的能力,用物理或化学方法(如电刺激、Ca2+载体、蛋白酶合成抑制剂等)激活重构胚,使其完成细胞分裂和发育进程,所以过程④可用电刺激技术处理;过程⑤是胚胎移植,并不要求代孕母牛具有较多的优良性状,因为该个体的性状并不影响子代的性状。

热点三　胚胎工程

 [情境引领]

采用CRISPR/Cas9 基因编辑技术可将增强型绿色荧光蛋白(EGFP)基因定点插入受精卵的Y染色体上,获得转基因雄性小鼠。该转基因小鼠与野生型雌性小鼠交配,通过观察荧光可确定早期胚胎的性别。判断下列叙述正误。

(1)基因编辑处理的受精卵在体外培养时,不同发育阶段的胚胎需用不同成分的培养液。(　√　)

(2)基因编辑处理的受精卵经体外培养至2细胞期,须将其植入同期发情小鼠的子宫,才可获得表达 EGFP的小鼠。(　×　)

提示:基因编辑处理的受精卵一般经体外培养至桑葚胚或囊胚阶段,再进行胚胎移植。

(3)分离能表达EGFP的胚胎干细胞,通过动物细胞培养技术可获得大量的转基因小鼠。(　×　)

提示:分离能表达EGFP的胚胎干细胞,通过核移植、早期胚胎培养、胚胎移植等技术,可获得大量的转基因小鼠。

(4)通过观察早期胚胎的荧光,能表达EGFP的即为雄性小鼠胚胎。(　√　)

(5)利用胚胎分割技术可提高雄性小鼠胚胎的利用率。(　√　)

 [基础巩固]

1.精子需要发生精子获能才能完成受精过程,卵子要在输卵管内成熟到MⅡ期才具备受精的能力,胚胎工程操作中,常以观察到两个极体或雌、雄原核作为受精的标志。

2.胚胎早期发育过程

3.胚胎移植

(1)基本程序。

对供体、受体的选择和处理配种或人工授精胚胎的收集、检查、培养或保存胚胎移植移植后的检查

提示:①胚胎移植过程中两次激素使用为第一次常用孕激素对供、受体进行同期发情处理,第二次用促性腺激素处理供体,使其超数排卵。②胚胎移植过程中的两次检查为第一次对收集的胚胎进行检查,这时的胚胎应发育至桑葚胚或囊胚阶段,第二次对受体母畜是否妊娠进行检查。

(2)胚胎移植的生理学基础。

4.胚胎分割

(1)材料:发育良好,形态正常的桑葚胚或囊胚。

(2)实质:无性繁殖或克隆。

(3)注意:对囊胚分割时,要注意将内细胞团均等分割。对未知性别的胚胎可以取滋养层细胞做DNA分析,鉴定性别。

[思维拓展]

1.精子的形成过程完全是在精巢中完成的,卵子的形成是否也完全在卵巢中进行?简述理由。

提示:不是。卵子的形成过程中,减数分裂Ⅰ和减数分裂Ⅱ是不连续的,减数分裂Ⅱ是在受精过程中进行的,场所是输卵管。

2.对囊胚阶段的胚胎进行分割时,为什么要将内细胞团均等分割?

提示:内细胞团一般到囊胚阶段才出现,它会发育为胚胎本身的基础细胞,其他细胞为滋养层细胞,只为胚胎或胎儿发育提供营养。若分割时不能将内细胞团均等分割,就会出现含内细胞团多的部分正常发育的能力强,含内细胞团少的部分发育受阻或发育不良,甚至不能发育等问题。

基于胚胎工程的理论基础考查识记与理解能力

1.“人造精子”是一种可以替代精子使卵细胞“受精”的单倍体胚胎干细胞。小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞具有一定的受精能力,将其注射到卵细胞中能成功得到健康的小鼠。目前构建成功的单倍体胚胎干细胞系,其细胞核内包含的性染色体全部都是X染色体。“人造精子”由于其基因组的单倍体性,在体外几乎能够无限增殖且“受精”后能产生后代,可应用于各种基因功能的研究。我国科研人员利用先进的胚胎操作技术,获得小鼠“人造精子”2种途径的流程如图,下列分析正确的是(　C　)

A.小鼠单倍体胚胎干细胞进行有丝分裂,细胞中含有两个染色体组

B.“人造精子”在“受精”前,需要在获能液中进行获能处理

C.将同一小鼠“人造精子”注射到不同卵细胞,得到的健康小鼠均为雌性

D.图示过程用到的生物技术有动物细胞培养、核移植技术、动物细胞融合技术

解析:小鼠单倍体胚胎干细胞进行有丝分裂,细胞中含有两个染色体组(有丝分裂后期)或一个染色体组;由题可知,“人造精子”具有一定的受精能力,因此“人造精子”在“受精”前,不需要进行获能处理;因为目前构建成功的单倍体胚胎干细胞系,其细胞核内包含的性染色体全部都是X染色体,因此将同一小鼠“人造精子”注射到不同卵细胞,得到的健康小鼠均为雌性;图示过程没有用到动物细胞融合技术。

2.下列关于胚胎工程的叙述,正确的是(　C　)

A.进行胚胎移植前需要对供体和受体进行免疫检查

B.胚胎干细胞具有细胞核大、核仁小和蛋白质合成旺盛等特点

C.早期胚胎需要移植到经同期发情处理的同种雌性动物体内发育

D.胚胎分割时可以分离内细胞团细胞做DNA分析,鉴定性别

解析:代孕母体对移植的胚胎不会发生免疫排斥反应,不需要进行免疫检查;胚胎干细胞具有细胞核大、核仁明显(大)、蛋白质合成旺盛等特点;在胚胎移植时,需要对代孕母体进行同期发情处理,有利于移植后的胚胎发育;胚胎分割时可以分离滋养层细胞做DNA分析,鉴定性别,而取内细胞团的细胞对胚胎的影响较大,不利于以后的胚胎发育。