高中生物苏教版 (2019)选择性必修3 生物技术与工程第一节 植物细胞工程导学案及答案

这是一份高中生物苏教版 (2019)选择性必修3 生物技术与工程第一节 植物细胞工程导学案及答案，共14页。学案主要包含了植物组织培养技术，植物体细胞杂交技术等内容，欢迎下载使用。


一、植物组织培养技术
1．概念：利用细胞全能性，在无菌条件下，将离体的植物器官、组织、细胞或原生质体等，在培养基上培养，使其发育成部分或完整植株的技术。
2．具体步骤
选材：外植体：用于植物组织培养的材料如离体的植物器官、组织、细胞或原生质体。植物的茎尖、根尖、幼嫩的叶片、花药是植物组织培养中常用的外植体。
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消毒：用消毒剂除去外植体表面的微生物，消毒后的外植体需要用无菌水充分冲洗，以避免消毒剂对外植体的生长、分化过程产生不良影响。
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接种：无菌条件下，将外植体置于适宜的培养基上的操作。接种用的培养基一般都要含有适量的水分、无机盐、碳源、氮源、维生素以及植物激素等。
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诱导脱分化：将已有特定结构和功能的植物组织，在一定条件下，诱导其细胞改变发育途径，逐步失去原有的分化状态，转变为具有分生能力的细胞的过程。脱分化后形成愈伤组织。
↓
诱导再分化：愈伤组织生长一段时间后，将其转移到新的培养基上继续培养，经诱导分化，形成芽和根等器官，或进一步发育成完整植株，也可以诱导形成胚状体。
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炼苗移植：对分化形成的幼小植株需要进行炼苗，使之逐渐适应自然环境，以保证幼苗移植到大田能顺利成活。
二、植物体细胞杂交技术
1．概念：将自发或人工融合的杂种细胞培育成新品种植物体的技术。
2．环节
原生质体的制备：酶解法(纤维素酶和果胶酶)去除细胞壁→低速离心分离纯化
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原生质体融合的诱导：化学融合法[聚乙二醇(PEG)法]和物理融合法(电融合法)
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杂种细胞筛选和培养：两两融合有AA、BB、AB三种类型；融合成功的标志：再生出细胞壁
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杂种细胞脱分化和再分化：技术是植物组织培养，原理是植物细胞的全能性
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杂种植株的再生和鉴定
3．应用实例
白菜—甘蓝、萝卜和甘蓝、烟草和番茄、马铃薯和番茄、水稻和稻稗。
4．意义：克服不同种植物之间杂交的不亲和障碍，打破生殖隔离。实现远缘物种之间的核质融合，再通过培养便可获得新品种植株。
5．目前存在的问题
(1)杂种后代遗传性状不够稳定；
(2)再生植株寿命较短等。
(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．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。( )
× 提示：具有某种生物全部遗传信息的细胞在离体的情况下才能表现出全能性。
2．在植物组织培养过程中，细胞的遗传物质一般都发生改变。( )
× 提示：植物组织培养主要是通过细胞分裂和分化实现的，遗传物质一般不会发生改变。
3．脱分化和再分化是植物组织培养的重要过程。( )
[答案] √
4．植物组织培养得到的个体可直接移栽到大田。( )
× 提示：植物组织培养过程得到的幼苗需炼苗后方可移栽到大田。
5．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。( )
[答案] √
6．植物体细胞杂交过程中，细胞融合成功的标志是产生新的细胞壁。( )
[答案] √
植物细胞的全能性
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生物体或分化成其他各种细胞的潜能。
2．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。
3．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，分化培养需光照)等。
(5)无菌操作。
合作探究：与体细胞相比，生殖细胞如花粉的遗传物质减少了一半，为什么生殖细胞仍具有全能性？
提示：在生物的体细胞中染色体是成对存在的，基因也是成对存在的，生殖细胞中遗传物质虽然减少了一半，但基因的种类没有少，仍具有控制生长发育的全套的遗传信息和全部的基因，因此生殖细胞仍具有全能性。
1．在植物体内，茎的顶端分生组织的细胞具有细胞周期，但不能表现出全能性，是因为( )
A．细胞核失去了全能性
B．不同的细胞基因是不同的
C．细胞中基因的表达有选择性
D．细胞核中的基因发生了不同的变异
C [茎顶端分生组织的细胞，其细胞核没有失去全能性，A错误；同一个体的所有体细胞都是由同一个受精卵经有丝分裂形成的，都具有相同的遗传物质，B、D错误；由于细胞中基因的选择性表达，使得茎顶端分生组织的细胞具有细胞周期，但不能表现出全能性，C正确。]
2．植物细胞表现出全能性的必要条件和增殖方式分别是( )
A．脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件；减数分裂
B．导入其他植物细胞的基因；有丝分裂
C．将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内；减数分裂
D．脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件；有丝分裂
D [植物细胞表现全能性的条件：①离体的器官、组织、细胞或原生质体和适宜的外界条件；②一定的营养(无机、有机成分)和植物激素。植物细胞、组织培养形成植物体的过程，包括脱分化和再分化两个重要的过程，在这两个过程中细胞都是通过有丝分裂方式进行增殖的。]
植物组织培养技术
1．植物组织培养的过程
(1)外植体：用于植物组织培养的材料如离体的植物器官、组织、细胞或原生质体。
(2)植物脱分化：将已有特定结构和功能的植物组织，在一定的条件下，诱导其细胞改变发育途径，逐步失去原有的分化状态，转变为具有分生能力的细胞的过程。
(3)愈伤组织：是一团没有特定形态、结构和功能的薄壁细胞，一般处于旺盛分裂状态。
(4)再分化：脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，经诱导分化，形成芽和根等器官的过程。
2．植物组织培养技术的注意事项
(1)外植体的选择与制备
①外植体的选择：外植体脱分化的难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而不同。一般来说，植物的花和幼嫩的组织脱分化相对比较容易，而植物的茎、叶等成熟的组织较难。
②制备外植体首先要消毒，其次要选取有形成层的部分，因为形成层细胞易脱分化。
(2)无菌操作
植物组织培养成功的关键是避免微生物的污染，所有实验用具要严格灭菌，接种过程要进行严格的无菌操作。
(3)光照的控制
对于植物组织培养来说，光照条件非常重要。在愈伤组织的诱导阶段往往要避光培养，有利于细胞脱分化产生愈伤组织(如果是在光照条件下，容易分化产生维管等组织，不利于产生大量的愈伤组织)。当愈伤组织分化出芽和叶时，一定要有光照，有利于叶片内叶绿素的合成。
(4)植物激素的使用
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性激素，两类激素的浓度及用量的比例等都会影响实验结果。
合作探究：(1)在植物组织培养过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？
提示：避免杂菌在培养基上面迅速生长消耗营养，且有些杂菌会危害培养物的生长。
(2)在组织培养过程中，诱导愈伤组织的培养基、诱导生芽的培养基和诱导生根的培养基的成分有什么不同？
提示：三种培养基成分的不同是生长素和细胞分裂素的比例不同。
(3)诱导愈伤组织期间一般不需要光，后续培养过程中，为什么每日要给予适当时间和强度的光照？
提示：后续培养过程中，给予适当时间和强度的光照的目的是诱导叶绿素的形成，进一步形成叶绿体进行光合作用。
(4)若培养物取自植物的幼茎、叶片等含有叶绿体的部位，愈伤组织中是否会含有叶绿体？
提示：培养物经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞，愈伤组织中不含有叶绿体。
1．下面是植物组织培养过程示意图，相关说法正确的是( )
外植体eq \(――→,\s\up10(①))愈伤组织eq \(――→,\s\up10(②))长出丛芽eq \(――→,\s\up10(③))生根eq \(――→,\s\up10(④))移栽成活
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
A [植物组织培养的原理是植物细胞具有全能性，A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错误；①过程是脱分化过程，月季花药的脱分化过程不需要光照，幼小植株形成后才需要光照，C错误；菊花根尖组织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错误。]
2．为探究矮牵牛原生质体的培养条件和植株再生能力，某研究小组的实验过程如下图。下列叙述正确的是( )
A．过程①获得的原生质体需悬浮在30%蔗糖溶液中
B．过程②需提高生长素浓度的比例以促进芽的分化
C．过程③需用秋水仙素处理诱导细胞壁再生
D．原生质体虽无细胞壁，但仍保持细胞的全能性
D [过程①获得的原生质体不能悬浮在30%的蔗糖溶液中，30%的蔗糖溶液可导致原生质体失水皱缩甚至死亡，A项错误；过程②为再分化过程，需提高细胞分裂素浓度的比例以促进芽的分化，B项错误；过程③不需用秋水仙素处理，愈伤组织细胞就已经有细胞壁，C项错误；原生质体虽无细胞壁，但含有细胞核等结构，即含有全部的遗传信息，原生质体仍保持细胞的全能性，D项正确。]
(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，可通过控制培养基中生长素和细胞分裂素浓度的比例来实现。
(2)生长素和细胞分裂素用量的比例影响植物细胞的发育方向。
植物体细胞杂交技术
1．植物体细胞杂交的原理
原生质体融合的过程利用了细胞质膜的流动性，杂种细胞发育成杂种植株利用了植物细胞的全能性。
2．植物组织培养和植物体细胞杂交的比较
3．植物体细胞杂交过程中杂种细胞类型及检测方法
(1)诱导产物(假设用于杂交的两种植物细胞分别为A、B)
①未融合的细胞：A和B。
②两两融合的细胞：AA、BB和AB。
③多细胞融合体。
(2)检测方法：对诱导产物中的细胞进行植物组织培养，然后根据得到的植物性状进行判断。
合作探究：(1)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：遗传物质来自两个亲本，具有双亲的遗传性状。染色体数目增加，属于染色体数目变异。
(2)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不亲和障碍，使不同种植物杂交成为可能。
(3)科学家采用体细胞杂交的方法得到了“番茄—马铃薯”杂种植物，但这种植物并没有地上结番茄，地下长马铃薯。你如何解释这一现象？
提示：基因之间、基因与基因产物之间、基因与环境之间存在着复杂的相互作用，两种生物的基因结合到一个细胞中之后，不能按照原来的顺序表达了。
1．下面为“番茄—马铃薯”的培育过程示意图，有关叙述正确的是( )
A．获得a、b细胞需要胰蛋白酶和果胶酶
B．诱导a、b细胞融合的化学试剂一般用秋水仙素
C．a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞质膜具有流动性
D．d、e、f过程表示植物的组织培养过程，e、f分别为脱分化和再分化
C [植物体细胞在杂交之前，必须先利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；a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞质膜具有一定的流动性，诱导a、b细胞融合的化学试剂一般是聚乙二醇，d、e分别为脱分化和再分化。]
2．下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________过程。则该杂种植株有________个染色体组。
(5)该技术最显著的优势是______________________________。
[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，其原理是细胞质膜具有流动性；将杂种细胞培育成新的个体，其原理是植物细胞具有全能性。(2)图中的①过程是去除植物细胞壁，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)细胞质膜具有流动性、植物细胞具有全能性 (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
体细胞杂交后细胞内染色体数目、染色体组数目及基因型的判断
体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管染色体、基因型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。
[课堂小结]
1．细胞的全能性是指( )
A．细胞具有各项生理功能
B．已分化的细胞能恢复到分化前的状态
C．已分化的细胞全部能再进一步分化
D．细胞仍具有发育成完整个体的潜能
D [由于细胞分化，每种细胞具有特定的形态、结构和生理功能，A错误；已经分化的细胞一般一直保持分化后的状态，直到死亡，细胞分化具有持久性，B错误；高度分化的细胞不能进一步分化，C错误；细胞的全能性是指已经分化的细胞仍然具有发育成完整个体的潜能，D正确。]
2．植物组织培养过程中的脱分化是指( )
A．植物体的分生组织通过细胞分裂产生新细胞的过程
B．未成熟的种子经过长期培养，长出幼苗的过程
C．植物的器官、组织或细胞，通过离体培养产生愈伤组织的过程
D．取植物的枝芽培育成一株新植物的过程
C [植物细胞脱分化就是让已分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能，而转变为未分化的细胞(愈伤组织)的过程，因此C项正确。]
3．在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中，下列哪一项条件是不需要的( )
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
C [形成愈伤组织，需要在消毒灭菌条件下进行，因为只有在消毒灭菌条件下，才能保证培养出的组织、细胞避免感染，否则培养基内将长出许多微生物，与离体细胞争夺营养与生存空间，使其不能形成愈伤组织，由于此阶段形成的是愈伤组织，并没有形成具有根、茎、叶的植物体，因此不需要光照。]
4．(多选)下列有关植物体细胞杂交的叙述，正确的是( )
A．有可能把两个植物体的优良性状集中在杂种植株上
B．需要用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁
C．利用聚乙二醇可以促进原生质体融合
D．植物体细胞杂交就是将不同的植物体细胞融合成杂种细胞
ABC [植物体细胞杂交之前，需要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；进行原生质体间的融合，必须要进行人工诱导，如可用聚乙二醇促进原生质体融合；植物体细胞杂交就是将不同的植物体细胞融合成杂种细胞，并将该杂种细胞培育成新的植物体。]
5．培养胡萝卜根组织可获得试管苗，获得试管苗的过程如图所示。
eq \x(\a\al(切取洁净的,胡萝卜根段))→eq \x(\a\al(对根段进,行消毒))→eq \x(\a\al(切取1 cm3左右带,有形成层的组织块))→
① ② ③
eq \x(\a\al(接种组,织块))→eq \x(\a\al(诱导组织块形,成愈伤组织))→eq \x(\a\al(诱导愈伤组织,形成试管苗))
④ ⑤ ⑥
回答下列问题：
(1)利用胡萝卜根段进行组织培养可以形成试管苗。用分化的植物细胞可以培养成完整的植株，这是因为植物细胞具有__________________。
(2)步骤③切取的组织块中要带有形成层，原因是__________________。
(3)从步骤⑤到步骤⑥需要更换新的培养基，其原因是_____________________。在新的培养基上愈伤组织通过细胞的________过程，最终可形成试管苗。
(4)步骤⑥要进行照光培养，其作用是______________________________。
(5)经组织培养得到的植株，一般可保持原品种的__________，这种繁殖方式属于________繁殖。
[解析] (1)分化的植物细胞可以培养成完整的植株，这是因为植物细胞具有全能性。(2)在本实验中，切取胡萝卜块时要切取含有形成层的部分，原因是形成层容易诱导形成愈伤组织。(3)决定植物细胞脱分化和再分化的关键因素是植物激素的种类和比例，步骤⑤(诱导愈伤组织形成)和步骤⑥(诱导愈伤组织分化形成试管苗)所需的生长素和细胞分裂素的比例不同，故从步骤⑤到步骤⑥需更换培养基。愈伤组织通过细胞的再分化过程形成试管苗。(4)步骤⑥需要照光培养，其作用是诱导叶绿素的形成，使试管苗能够进行光合作用。(5)组织培养没有经过两性生殖细胞的结合，因此属于无性繁殖，组织培养得到的植株保持了原品种的遗传特性。
[答案] (1)全能性(或形成完整植株所需的全部基因) (2)形成层容易诱导形成愈伤组织 (3)诱导愈伤组织形成和诱导愈伤组织分化形成试管苗所需的生长素和细胞分裂素的比例不同 分化(或再分化) (4)诱导叶绿素的形成，使试管苗能够进行光合作用 (5)遗传特性 无性
1．阐明植物组织培养技术是利用细胞全能性，在无菌条件下，将离体的植物器官、组织、细胞或原生质体等，在培养基上培养，使其发育成部分或完整植株的技术。
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为杂种细胞，继而培育成新植物体的技术。
生命观念：通过植物组织培养技术理解细胞的全能性及原因。
科学思维：理解植物组织培养和植物体细胞杂交技术的原理，以流程图形式表示植物组织培养和植物细胞杂交的过程。
科学探究：尝试探究植物生长素和细胞分裂素的使用顺序及比例对植物组织培养的影响。
生长素用量/细胞分裂素用量
结果
比值高
有利于根的分化，抑制芽的形成
比值低
有利于芽的分化，抑制根的形成
比值适中
促进愈伤组织的形成
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
细胞质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
植物性状
结论
若只表现出一种植物的性状
未融合细胞
若得到的是具有两种亲本性状的植物
杂种植株
若得到的是两种亲本性状的植物，且一种植物的性状得到加强
多细胞融合体
若得到的是一种植物的性状，但是效果得到加强
同种细胞融合
知 识 网 络 构 建
要 点 强 化 识 记
1．植物组织培养技术是利用细胞的全能性，在无菌条件下，将离体的植物器官、组织、细胞或原生质体等，在培养基上培养，使其发育成部分或完整植株的技术。
2．将已有特定结构和功能的植物组织，在一定的条件下，诱导其细胞改变发育途径，逐步失去原有的分化状态，转变为具有分生能力的细胞，这一过程称为植物细胞脱分化。
3．愈伤组织经诱导分化，形成芽和根等器官，或进一步发育成完整植株。这一过程称为再分化。
4．愈伤组织在生长素浓度/细胞分裂素浓度的比值高的情况下，有利于根的形成；反之，则有利于芽的形成。而生长素和细胞分裂素浓度相当时，会促进愈伤组织的生长。
5．植物体细胞杂交技术主要是指将自发或人工融合的杂种细胞培育成新品种植物体的技术。
6．植物体细胞杂交技术可以克服不同种植物之间杂交的不亲和障碍，打破生殖隔离，实现远缘物种之间的核质融合，再通过培养便可获得新品种植株。