高中生物人教版 (2019)选择性必修3第2章 细胞工程第1节 植物细胞工程一 植物细胞工程的基本技术第1课时学案

第1节　植物细胞工程

第1课时　植物细胞工程的基本技术

一、植物细胞的全能性

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。

2．生长发育过程中细胞没有表现全能性的原因

在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达。

二、植物组织培养技术

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．菊花的组织培养

(1)植物细胞全能性的表达过程

①脱分化：让已经分化的细胞经过诱导后，失去其特有的结构和功能，转变成未分化细胞的过程。

②再分化：脱分化产生的愈伤组织，在一定的培养条件下，再分化出芽、根等器官，进而形成完整的小植株。

③激素的作用：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。

(2)操作流程

外植体的消毒：将流水充分冲洗后的外植体用酒精消毒30 s，用无菌水清洗2～3次后，再用次氯酸钠溶液处理30 min，用无菌水清洗2～3次。

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外植体的分割：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。

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接种：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。

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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。

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转移培养：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。

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移栽：将试管苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩上，壮苗后再移栽入土。

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)去壁：用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁，获得原生质体。

(2)诱导原生质体融合的方法

①物理法：电融合法、离心法等。

②化学法：聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。

3．意义

克服不同种生物远缘杂交的不亲和性。

判断对错(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．脱分化和再分化是植物组织培养的重要过程。 (√)

3．在植物组织培养过程中需要给予光照，以诱导脱分化过程。 (×)

提示：植物组织培养过程中，脱分化过程是要求避光培养的。

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。

  (√)

5．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。 (√)

　植物组织培养

1．植物组织培养的过程

(1)外植体：用于植物组织培养的离体的植物器官、组织或细胞。

(2)脱分化：已经分化的细胞，经过诱导，失去其特有的结构和功能，转变成未分化细胞的过程。

(3)愈伤组织：细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、呈无定形状态的薄壁细胞团。

(4)再分化：脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，又可以重新分化出根或芽等器官的过程。

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、叶和成熟的组织较难。

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。

①脱分化阶段：避光培养，有利于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)。

②再分化阶段：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。

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．(2021·湖北省适应性测试)植物组织培养过程中，无菌操作步骤至关重要。下列关于无菌操作的叙述，错误的是(　　)

A．不耐高温的植物激素需过滤除菌后才能添加到已灭菌的培养基中

B．超净工作台可用紫外线消毒，镊子、剪刀可灼烧灭菌

C．植物材料用次氯酸钠消毒后接种到培养基中

D．玻璃培养皿常采用干热灭菌法灭菌

C　[对不耐高温的植物激素除菌时无法用高压蒸汽灭菌法，可以用滤膜过滤除菌，再添加到已灭菌的培养基中，A正确；接种室和超净工作台等，可用紫外线进行消毒，镊子、剪刀等金属器具可灼烧灭菌，B正确；植物组织培养中的外植体用70%的酒精和次氯酸钠进行消毒，外植体取出后，在无菌水中漂洗了消毒液后才能接种到培养基中，C错误；玻璃培养皿常采用干热灭菌法灭菌，D正确。]

2．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。

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

　植物体细胞杂交

1．原理

(1)细胞膜的流动性：原生质体融合的过程。

(2)植物细胞的全能性：杂种细胞发育成杂种植株。

2．操作过程

3．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，形成异源多倍体。

4．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。

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不亲和的障碍，使不同种植物杂交成为可能。

3．科学家采用植物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。

(2021·重庆市适应性测试改编)某研究人员设计了下列技术路线，以期获得甘蓝和萝卜体细胞杂交植株。

请回答下列问题：

(1)制备原生质体时，常用两种酶处理，分别是_________。诱导原生质体融合常用的化学诱导剂是________。原生质体融合成功的标志是______________。图中X是________。

(2)为诱导融合体产生不定芽，通常应在培养基中加入两类植物激素，其中起主要作用的是____________________。

(3)若想获得抗盐植株，可选用融合原生质体作为人工诱变的材料，原因是_________，且需在含较高浓度的NaCl培养基中筛选。

[解析]　(1)植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，所以制备原生质体，需要用纤维素酶和果胶酶将细胞壁分解，诱导原生质体融合常用的化学诱导剂是PEG(聚乙二醇)。原生质体融合成功的标志是杂种细胞再生成细胞壁；图中X经过离体培养，可以形成试管苗，所以X是愈伤组织。

(2)植物组织培养中常加入细胞分裂素和生长素，当生长素与细胞分裂素的比值低时，有利于芽的形成，所以起主要作用的是细胞分裂素。

(3)由于融合原生质体包含了两个物种的全部遗传信息，且具有全能性，所以可选用融合原生质体作为人工诱变的材料。

[答案]　(1)纤维素酶和果胶酶　PEG(聚乙二醇)　杂种细胞再生成细胞壁　愈伤组织　(2)细胞分裂素　(3)具有分裂分化能力，突变频率高，融合原生质体包含了两个物种的全部遗传信息，且具有全能性

(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的比例来实现。

(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(注明：不考虑三个或三个以上细胞的融合)。

下面是某科研小组研究某植物组织培养过程中的实验数据，请思考并回答问题：

本案例考查学生演绎与推理的科学思维能力及实验设计和对实验结果的交流讨论的能力。

(1)表中2，4­D和6­BA分别是什么类型的植物生长调节剂？(科学思维)

(2)诱导愈伤组织的最佳植物生长调节剂浓度是多少？(科学探究)

(3)诱导愈伤组织的培养基中加入的3%的蔗糖的作用是什么？(科学思维)

(4)该实验需要不需要光照条件？(生命观念)

提示：(1)2，4­D是生长素类调节剂、6­BA是细胞分裂素类调节剂。

(2)5 mg/L 2，4­D，不添加6­BA。

(3)提供营养，调节渗透压。

(4)不需要光照条件。

[课堂小结]

1．下列有关植物细胞全能性的说法，错误的是(　　)

A．体细胞具有发育成完整个体所必需的全部基因

B．高度分化的细胞只有处于离体状态时才有可能表现出全能性

C．植物细胞的全能性是植物组织培养的理论基础之一

D．从一粒玉米种子长成一棵植株体现了细胞具有全能性

D　[植物的体细胞具有发育成完整个体所必需的全部基因，即植物细胞的全能性，也是植物组织培养的理论基础之一，A、C正确；高度分化的细胞只有处于离体状态且有适宜的生长条件时才有可能表现出全能性，B正确；从一粒玉米种子长成一棵植株是自然生长过程，不能体现植物细胞的全能性，D错误。]

2．下列关于“菊花的组织培养”实验的叙述，不正确的是(　　)

A．该实验的理论依据是植物细胞具有全能性

B．在本实验中，应将切好的外植体全部插入培养基中

C．实验过程中需要注意器械的灭菌和实验人员的无菌操作

D．整个培养过程需要适宜的温度和一定的营养条件

B　[在菊花的组织培养实验中，应将切好的外植体的1/3～1/2插入诱导愈伤组织的培养基中，B错误。]

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．下图表示以某种杂合体名贵花卉的绿色叶片为材料，利用植物组织培养技术繁殖该植物过程中岀现的不同结果。下列分析正确的是(　　)

A　　　B　　　　C

A．不同结果的岀现主要是由是否提供光照造成的

B．A通过脱分化得到B通过再分化得到C

C．利用花粉粒进行单倍体育种也能培养岀该杂合子花卉

D．B组细胞的全能性高于A组和C组

D　[不同结果的出现主要是细胞分裂素与生长素的比例不同导致的，A错误；愈伤组织B在不同植物激素比例下分化为A根或C丛芽，B错误；利用花粉进行单倍体育种得到的一般为纯合子，C错误；B组细胞分化程度很低，其全能性最高，D正确。]

5．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