选择性必修3 生物技术与工程第一节通过植物组织培养可获得完整植株第1课时学案

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这是一份选择性必修3 生物技术与工程第一节通过植物组织培养可获得完整植株第1课时学案，共10页。学案主要包含了细胞工程，离体植物器官等内容，欢迎下载使用。

第1课时植物组织培养技术
一、细胞工程
1．细胞工程：指按照一定的设计方案，借助工程学的方法或技术，以生物组织、细胞和细胞器为对象进行操作，在细胞水平上改造生物遗传特性，以获得特定的细胞产物、细胞、组织、器官或新生物体的技术。
2．类型
(1)按技术类型：细胞和组织培养、细胞融合、核移植技术等。
(2)按生物类型：植物细胞工程和动物细胞工程等。
3．动、植物细胞工程的基础技术：动物细胞培养和植物组织培养。
二、植物细胞的全能性使离体组织发育成完整植株成为可能
1．植物组织培养：指在无菌和人工控制条件下，将离体的植物体器官、组织或细胞等培养在人工配制的培养基上，使其生成完整植株或使其细胞增殖并产生细胞代谢产物的技术。
2．离体培养：由于植物组织培养是植物材料在脱离母体的条件下进行的，所以也称为离体培养。
3．外植体：用于培养的植物的离体器官、组织等称为外植体。
4．植物细胞的全能性：已分化的细胞中遗传物质一般不发生改变，植物体的每个生活细胞都具有该植物所包含的全部的遗传信息，因而具有发育成完整植株的潜能，这就是植物细胞的全能性。
5．植物组织培养的理论基础：外植体因脱离了母体的影响，一定条件下能实现其全能性。
6．离体培养条件下，植物细胞全能性的表达是通过细胞的脱分化和再分化实现的。
(1)脱分化：离体条件下已分化的细胞经过诱导，失去特有的结构和功能，重新获得分裂能力，称为脱分化。
(2)愈伤组织：脱分化的细胞不断分裂增殖，产生无组织结构、松散的薄壁细胞团，称为愈伤组织(callus)。
(3)再分化：愈伤组织细胞在一定条件下，可重新分化为各种类型的细胞，进而形成芽或根等，再生出新的植株，这个过程称为再分化。
7．愈伤组织再分化为完整植株的途径
(1)图示
(2)器官发生途径
首先在一种培养基上诱导形成芽，再在另一种培养基上形成根，因为芽和根都是植物的器官，所以这一途径称为器官发生途径。
(3)体细胞胚发生途径
由愈伤组织表面形成类似种子胚的结构，这种在离体培养条件下不经过受精过程由体细胞发育成的类似胚的结构称为胚状体，胚状体继续发育成完整的植株。
三、离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植株
1．植物组织培养是在严格的无菌条件下进行的。
(1)保证培养过程中植物材料不被污染是成功的基础。
(2)接种器具和培养基一般用高压蒸汽灭菌。
(3)接种室和操作台常利用紫外灯照射灭菌。
2．培养基能为离体植物材料提供适宜的营养条件。
(1)植物组织培养的培养基中通常含有水、无机盐、有机营养成分、琼脂、植物激素等物质。
(2)无机盐为植物提供必需的矿质元素。
(3)有机营养成分中含有糖类、氨基酸、维生素等物质。
①糖类既可作为碳源和能源物质，又参与维持培养基的渗透压。
②维生素往往以辅酶的形式参与细胞的蛋白质、脂质、糖代谢等重要活动。
(4)植物激素调控细胞的脱分化和再分化过程
①植物生长调节物质包括天然植物激素和人工合成的激素类似物。
②植物生长素类和细胞分裂素类物质是植物组织培养不可缺少的两类调节物质，两者的浓度和配比在脱分化和再分化中起着关键作用。
③生长素类和细胞分裂素类物质的比值大时，有利于根的形成；比值小时，则促进芽的形成。
(5)尽管植物生长所需营养物质具有高度的一致性，但不同植物对这些营养成分的需要量有较大差异，同一种植物不同部位的营养要求也不相同
①根据不同的培养类型、植物不同的营养需求，可设计不同的培养基配方。
②在设计植物培养基时，最常改动的成分就是植物激素类物质的种类和比例。
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．由于植物组织培养是植物材料在脱离母体条件下进行的，所以也称为离体培养。(√)
5．植物体细胞胚发生途径是指愈伤组织先在一种培养基上诱导形成芽，再在另一种培养基上形成根的途径。(×)
提示：体细胞胚发生途径是指由愈伤组织表面形成胚状体，胚状体继续发育成完整植株的途径。
植物细胞的全能性使离体组织发育成完整植株成为可能
1．细胞的全能性
(1)细胞的全能性的概念
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)细胞具有全能性的原因
一般来说，生物体的细胞中都含有该物种的全套遗传物质，都有发育成为完整个体所必需的全部遗传信息。
(3)生物体内细胞不能表现全能性的原因
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，从而形成生物体的不同组织和器官。
(4)不同细胞的全能性的比较
①受精卵的全能性大于体细胞，部分生殖细胞的全能性大于体细胞。
注意：并不是所有的生殖细胞都能表现出全能性，如哺乳动物的精子、卵细胞不能表现全能性。
②体细胞的全能性：分化程度低的细胞>分化程度高的细胞；幼嫩的细胞>衰老的细胞；分裂能力强的细胞>分裂能力弱的细胞。
③随着细胞分化程度的提高，细胞的全能性降低。
2．植物组织培养的一般过程
(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：离体条件下已分化的细胞经过诱导，失去特有的结构和功能，重新获得分裂能力。
(3)愈伤组织：脱分化的细胞不断分裂增殖，产生无组织结构、松散的薄壁细胞团。
(4)再分化
①概念：愈伤组织细胞在一定条件下，可重新分化为各种类型的细胞，进而形成芽或根等，再生出新的植株，这个过程称为再分化。
②途径：一种是器官发生途径；另一种为体细胞胚发生途径。
1．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。
2．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．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
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植株
1．植物组织培养是在严格的无菌条件下进行的。
(1)保证培养过程中植物材料不被污染是成功的基础。
(2)接种器具和培养基一般用高压蒸汽灭菌。
(3)接种室和操作台常利用紫外灯照射灭菌。
2．培养基能为离体植物材料提供适宜的营养条件。
3．植物激素调控细胞的脱分化和再分化过程。
(1)离体的器官、组织、细胞之所以能够按照人们的设计目标进行细胞分裂和分化、器官形成与个体再生，植物激素起到了重要的甚至是决定性的作用。
(2)植物生长素类和细胞分裂素类物质是植物组织培养不可缺少的两类调节物质，两者的浓度和配比在脱分化和再分化中起着关键作用。
(3)生长素类和细胞分裂素类物质的比值大时，有利于根的形成；比值小时，则促进芽的形成。
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．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。
3．(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表面消毒，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%的酒精和氯化汞(或次氯酸钠)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。]
4．关于植物组织培养的再分化过程，说法错误的是( )
A．再分化过程中，不同细胞内合成了功能不同的特异性蛋白质
B．脱分化与再分化过程所使用的培养基主要是激素浓度及用量比例的不同
C．再分化过程在实验室或植物组织培养车间进行，需要避光处理
D．再分化过程中，核遗传物质没有发生改变，但mRNA有变化
C [再分化的本质就是细胞分化，分化的实质是细胞内的基因选择性表达，不同细胞内转录出不同的mRNA，合成了功能不同的特异性蛋白质，A、D正确；决定植物脱分化和再分化的关键因素是植物激素的浓度和用量比例，因此脱分化与再分化过程所使用的培养基主要是激素浓度及用量比例的不同，B正确；诱导愈伤组织期间一般不需要光照，但再分化过程将形成根和芽等营养器官，芽的形成需要一定的光照，同时叶绿素的形成过程也离不开光照，所以再分化过程需要光照，C错误。]
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)
提示：2，4D是生长素类、6BA是细胞分裂素类。
(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)
提示：5.0 mg/L 2，4D，不添加6BA。
(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)
提示：提供营养，调节渗透压。
(4)该实验需不需要光照条件？(生命观念)
提示：不需要光照条件。
[课堂小结]
1．下列有关愈伤组织细胞的叙述，不正确的是( )
A．细胞壁薄、分裂旺盛
B．细胞具有较高的全能性
C．由高度分化的植物细胞经脱分化和分裂形成
D．细胞有叶绿体，能进行光合作用
D [愈伤组织的细胞排列疏松而无规则，是一种高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞；愈伤组织是由离体的植物组织经脱分化和分裂形成的，细胞具有较高的全能性；在无光条件下培养产生的愈伤组织无叶绿体。]
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个体的过程
C [植物细胞的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。]
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出现的不同结果。下列分析正确的是( )
①A ② ③
A．不同结果的出现主要是由是否提供光照造成的
B．①通过脱分化得到②通过再分化得到③
C．利用花粉粒进行单倍体育种也能培养出该杂合体花卉
D．②组细胞的全能性高于①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②在不同植物激素比例下分化为①根或③丛芽，B错误；利用花粉进行单倍体育种得到的一般为纯合体，C错误；②组细胞分化程度很低，其全能性最高，D正确。]课标内容要求
核心素养对接
阐明植物组织培养是在一定的条件下，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。
1.生命观念——阐明植物细胞全能性的含义。
2.科学思维——认识植物组织培养技术是离体获得植物体的重要方法；概述植物组织培养的过程。
编号
植物生长调节剂浓度/(mg/L)
愈伤组织诱导率/%
2，4D
6BA
1
3
0
52.1±2.2
2
5
0
55.2±2.1
3
3
0.1
42.4±1.9
4
5
0.1
46.9±2.0
5
7
0.1
38.6±1.4
6
3
0.3
43.7±2.8
知识网络构建
核心语句背诵
1.植物细胞的全能性使离体组织发育成完整植株成为可能。
2.根据外植体的不同，可将植物组织培养分为器官培养、组织培养、细胞培养、原生质体培养等。
3.由愈伤组织再分化形成完整植株，一般有两种途径：一种是器官发生途径，另一种称为体细胞胚发生途径。
4.离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植株。
5.培养基能为离体植物材料提供适宜的营养条件。
6.植物激素调控细胞的脱分化和再分化过程。