第2章　细胞工程\n第1节　植物细胞工程\n课标要求核心素养1．简述植物组织培养和植物体细胞杂交技术。(科学思维)2．理解植物组织培养的原理和过程，植物体细胞杂交的原理。(科学思维)3．尝试进行植物组织培养。(科学探究、生命观念)1．概述植物组织培养和植物体细胞杂交技术的原理和过程。2．举例说明植物细胞工程的应用有效提高了生产效率。\n知识导图\n一　植物细胞工程的基本技术\n学霸记忆•素养积累训练巩固•课堂达标新知预习•双基夯实课内探究•名师点睛指点迷津•拨云见日\n新知预习•双基夯实\n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________________或____________________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______________。二、植物组织培养技术1．概念：将______的植物器官、组织或细胞等，培养在__________________上，给予适宜的培养条件，诱导其形成__________的技术。产生完整生物体分化成其他各种细胞选择性地表达离体制的培养基完整植株人工配\n2．全能性表达过程(1)脱分化：让已经分化的细胞经过诱导后，失去其特有的____________，转变成未分化细胞的过程。(2)再分化：脱分化产生的__________，在一定的培养条件下，再分化出______________，进而形成完整的小植株。(3)激素的作用：植物激素中________和____________是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。结构和功能愈伤组织芽、根等器官生长素细胞分裂素\n3．操作流程外植体的消毒：将流水冲洗后的外植体用______消毒30s，用无菌水清洗2～3次后，再用______________处理30min，用无菌水清洗2～3次。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0.5～1cm长的小段。接种：在____________旁，将外植体的1/3～1/2插入______________的培养基中。酒精次氯酸钠溶液酒精灯火焰诱导愈伤组织\n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________中培养。定期观察和记录__________的生长情况。转移培养：将生长良好的愈伤组织转接到__________的培养基上。长出芽后，再将其转接到__________的培养基上，进一步诱导形成试管苗。移栽：将试管苗移植到消过毒的______________上，壮苗后再移栽入土。培养箱愈伤组织诱导生芽诱导生根蛭石或珍珠岩\n三、植物体细胞杂交技术1．概念将__________的植物体细胞，在一定条件下融合成__________，并把杂种细胞培育成__________的技术。不同来源杂种细胞新植物体\n2．过程\n(1)去壁：用__________________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：________法、______法等。②化学法：_________________融合法、______________融合法等。3．意义：克服不同种生物__________的不亲和性。纤维素酶和果胶酶电融合离心聚乙二醇(PEG)高Ca2＋-高pH远缘杂交\n1．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。()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。()3．脱分化和再分化是植物组织培养的重要过程。()4．在植物组织培养过程中需要给予光照，以诱导脱分化过程。()活学巧练××√×\n5．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。()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。()√√\n思考：1．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。\n2．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。3．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。\n4．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。5．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障碍，使不同种植物杂交成为可能。\n学霸记忆•素养积累\n1．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．植物组织培养的原理是植物细胞的全能性，主要过程包括脱分化和再分化。3．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。4．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，接种过程进行严格的无菌操作。\n5．植物细胞融合依据的生物学原理是细胞膜的流动性，融合成功的标志是杂种细胞再生出细胞壁。6．诱导原生质体融合的方法：物理法和化学法。物理法包括电融合法、离心法等；化学法包括聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋-高pH融合法等。7．植物体细胞杂交技术的意义：克服了不同种生物远缘杂交不亲和的障碍。\n课内探究•名师点睛\n知识点1．细胞全能性的分析(1)具有全能性的原因：一般生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传信息。(2)现实体现：在生物的生长发育过程中，生物体内的细胞并不会表现出全能性，而是分化成各种组织和器官。这是因为在特定的时间和空间条件下，细胞内的基因会选择性地表达。细胞的全能性\n(3)不同细胞全能性的大小①体细胞全能性：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。②不同细胞的全能性：受精卵>胚胎干细胞>生殖细胞>体细胞。③不同生物的细胞全能性：植物细胞>动物细胞。(4)全能性与细胞分化的关系：随着细胞分化程度的不断提高，细胞的全能性逐渐降低。\n2．植物细胞全能性表达所需条件(1)体细胞未表现全能性的原因：基因的选择性表达。(2)体现细胞全能性的条件材料离体的细胞、组织或器官培养基种类齐全、比例合适的营养物质及一定比例的植物激素外界条件①无菌操作②光照：愈伤组织培养最初避光培养，后期见光培养\n1．细胞表达全能性的标志是发育成完整个体或分化成其他各种细胞。2．细胞具有全能性是因为细胞中具有发育成完整个体所必需的“全套基因”而不是“全部基因”，配子中有全套基因，因此仍然具有全能性。\n下列有关细胞全能性的叙述，不正确的是()A．受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体，因此全能性最高B．生物体内的体细胞由于细胞分化，全能性不能表达C．卵细胞与受精卵一样，细胞未分化，全能性最高D．植物细胞在一定条件下离体培养能表现出全能性典例1典例剖析C\n解析：受精卵是个体发育的起点，在自然条件下，通过细胞的分裂、分化形成完整的个体，所以受精卵的全能性最高；生物体内的体细胞由于细胞分化，细胞中的基因选择性地表达，因此全能性不能表达；卵细胞属于已分化的细胞，与受精卵相比，全能性较低；分化的植物细胞尽管具有全能性，但如果要表现出全能性，植物细胞必须在一定条件下进行离体培养。\n1．从细胞全能性的角度看，下列叙述正确的是()A．分化程度高，具有较高的全能性B．分化程度低，具有较低的全能性C．分化程度低，具有较高的全能性D．分化程度高低与全能性无关解析：分化程度越高，全能性越低，A错误；分化程度越低，全能性越高，B错误，C正确；全能性越高，细胞分裂能力越强，分化程度越低，D错误。变式训练C\n知识点1．植物组织培养相关概念辨析(1)外植体：离体培养的植物器官、组织或细胞。(2)胚状体：植物细胞离体培养，经过脱分化和再分化，发育成胚状体。胚状体经过生长发育成完整植株。(3)愈伤组织：一团没有特定结构和功能，排列疏松而无规则，高度液泡化的呈无定形状态的薄壁组织团块。植物组织培养技术\n(4)脱分化和再分化的比较比较内容脱分化再分化过程外植体→愈伤组织愈伤组织→幼苗需要条件①离体②适宜的营养③生长素与细胞分裂素的比例适中④不需光①离体②适宜的营养③生长素与细胞分裂素的比例高(低)诱导生根(生芽)④需光照\n2．植物组织培养的条件(1)离体、无菌。(2)环境条件适宜：如营养物质(水、无机盐、蔗糖、维生素等)、激素(生长素和细胞分裂素)、适宜的温度和光照。3．植物组织培养的过程\n4．菊花组织培养实验的注意事项(1)条件控制：植物组织培养过程中光照条件的控制非常重要，包括光照强度、光照时间和波长等。在形成愈伤组织的脱分化阶段往往需要暗培养，而在再分化的过程中一定要有光照。脱分化阶段的暗培养有利于细胞的脱分化，产生愈伤组织，因为在光照条件下细胞容易分化产生维管组织，不利于产生大量的愈伤组织。再分化阶段要有光照，这样有利于诱导形成叶绿素。\n(2)取材：含形成层(分生组织)的部位易于诱导形成愈伤组织。尽管植物体其他已分化的部位也可以用于组织培养，但诱导愈伤组织的形成比较困难。(3)消毒和灭菌：培养基中含有丰富的营养物质，不仅有利于培养物的生长，也有利于各种杂菌的生长。一旦污染，迅速生长的各种杂菌不仅会与培养物争夺营养，而且会产生大量对培养物有害的物质，导致培养物死亡。\n(4)植物激素的作用生长素与细胞分裂素的比值作用效果高有利于根的分化，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形成\n如图为将胡萝卜的离体组织在一定条件下培育形成试管苗的过程示意图。下列有关叙述正确的是()A．利用此过程获得的试管苗可能为杂合子B．①②过程中都会发生细胞的增殖和分化C．多倍体植株的培育必须经过如图所示过程D．此过程依据的生物学原理是细胞膜具有流动性典例2典例剖析A\n解析：题图为植物组织培养过程，利用此过程获得的试管苗的基因型与离体组织所属个体的基因型相同，可能为杂合子，也可能为纯合子，A项正确；①是脱分化过程，没有发生细胞分化，B项错误；多倍体植株的培育一般不需要采用植物组织培养技术，而是采用秋水仙素或低温诱导来处理萌发的种子或幼苗，C项错误；此过程依据的原理是植物细胞的全能性，D项错误。\n2．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．未成熟的种子经过处理培育出幼苗的过程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解析：植物组织培养中的脱分化是指离体的植物器官、组织、细胞培养产生愈伤组织的过程。变式训练C\n知识点1．植物体细胞杂交的过程植物体细胞杂交技术\n2．植物体细胞杂交育种的优点和局限性(1)优点：打破生殖隔离，克服远缘杂交不亲和障碍。(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。\n3．植物组织培养和植物体细胞杂交的比较\n项目植物组织培养植物体细胞杂交选材根尖、茎尖、形成层部位最容易诱导脱分化不同来源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\n植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因是()A．植物体细胞的结构组成中不包括细胞壁B．细胞壁使原生质体失去活力C．细胞壁阻碍了原生质体的融合D．细胞壁不是原生质体的组成部分解析：细胞壁是植物细胞结构的一部分，对植物细胞具有保护作用，不会使原生质体失去活力，但阻碍了原生质体的融合，因此要除去细胞壁。典例3典例剖析C\n3．用植物细胞工程技术将天竺葵与香茅草进行杂交可产生驱蚊香草，使有驱蚊作用的香茅醛随着植物的蒸腾作用散发到空气中，达到驱蚊的效果。下列有关培养过程的叙述，错误的是()A．原生质体的融合常用PEG作为诱导剂B．形成的愈伤组织其代谢类型是自养需氧型C．由杂种细胞→杂种植株，要经过有丝分裂和细胞的分化D．该项技术可克服远缘杂交不亲和的障碍变式训练B\n解析：植物体细胞杂交过程中，诱导原生质体融合常用的诱导剂是PEG。杂种细胞经组织培养形成的愈伤组织，自身不含叶绿素无法进行光合作用，其营养物质来自培养基，代谢类型是异养需氧型。杂种细胞，要经过有丝分裂、脱分化和再分化才能形成杂种植株。植物体细胞杂交克服了远缘杂交不亲和的障碍。\n指点迷津•拨云见日\n植物体细胞杂交与植物有性杂交的区别1．生殖方式不同植物体细胞杂交过程中没有两性生殖细胞的结合，因此不属于有性生殖，应为无性生殖。而植物有性杂交为有性生殖。2．所得植株的变异类型不同植物体细胞杂交获得的杂种植株的变异类型属于染色体变异，杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数之和，杂种植株属于异源多倍体。植物有性杂交植株变异类型为基因重组。\n3．杂交过程中遗传物质的变化不同(1)植物体细胞杂交若两个不同品种的植物细胞A、B进行融合，A含有2X条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb,B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，基因型为AabbccDd，从中不难看出，体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管是染色体数、基因型还是染色体组数都是直接相加得到的。\n(2)植物有性杂交有性杂交的子代细胞中染色体数、染色体组数都与亲代相同。(3)植物有性杂交过程中，遗传物质的传递遵循孟德尔遗传定律，而植物体细胞杂交过程中，遗传物质的传递不遵循孟德尔遗传定律。\nA种植物细胞和B种植物细胞的结构如下图所示(仅显示细胞核中部分染色体)，将A、B两种植物细胞去掉细胞壁后，诱导二者的原生质体融合，形成单核的杂种细胞，若经过组织培养后得到了杂种植株，则该杂种植株是()A．二倍体；基因型是DdYyRrB．三倍体；基因型是DdYyRrC．四倍体；基因型是DdYyRrD．四倍体；基因型是DDddYYyyRRrr典例4典例剖析C\n解析：据图分析，A种植物的基因型为Dd，属于二倍体，B种植物的基因型为YyRr，也属于二倍体。植物体细胞融合后形成的杂种细胞含有两个亲本的遗传物质，基因型为DdYyRr，属于异源四倍体，C项符合题意。\n解疑答惑从社会中来⇨P34提示：利用植物组织培养技术快速繁殖兰花。具体操作为取兰花幼嫩部位消毒后置于诱导形成愈伤组织的培养基中培养，经脱分化形成愈伤组织，转接到诱导生根培养基上，再分化形成胚状体或丛芽，移栽获得兰花植株。\n探究·实践⇨P35结果分析与评价1．提示：用于植物组织培养的培养基同样适合某些微生物的生长，如一些细菌、真菌等的生长。培养物一旦受到微生物的污染，就会导致实验前功尽弃，因此要进行严格的无菌操作。导致外植体被污染的原因可能有：培养基、接种工具灭菌不彻底；外植体消毒不彻底；操作过程不符合无菌操作要求等。\n2．提示：观察实验结果，看看是否培养出了愈伤组织，记录多长时间长出了愈伤组织。从刚接种的外植体到长出愈伤组织一般需要2周左右的时间。统计更换培养基后愈伤组织进一步分化成芽和根的比例和时间。3．略。\n4．提示：幼苗的移栽是否合格幼苗移栽的关键是既要充分清洗根系表面的培养基，又不能伤及根系。一般使用无土栽培的办法。培养基质要提前消毒，可以向培养基质喷洒质量分数为5%的高锰酸钾溶液，并用塑料薄膜覆盖12h。掀开塑料薄膜后24h才能移栽。移栽的幼苗要在培养箱内生长几天，等壮苗后再定植大田或进行盆栽。同学们可以在课后统计自己移栽的幼苗的成活率，看看移栽是否合格。\n练习与应用⇨P38一、概念检测1．A提示：进行a处理时应用纤维素酶、果胶酶。2．提示：蜗牛消化道提取液中可能含有纤维素酶、果胶酶。\n二、拓展应用提示：1978年，梅尔彻斯(G．Melchers)等人首次获得了马铃薯与番茄的体细胞杂种植株。他们将培育的二倍体马铃薯和番茄的叶片细胞原生质体进行融合，产生了杂种植株——“番茄—马铃薯”，它同时具有马铃薯和番茄的形态特征。其中一些植株形成了“类似块茎的生殖根”，但是并没有产生可结实的花以及真正意义上的块茎。到目前为止“番茄—马铃薯”一类的体细胞杂交植物还不能产生经济效益，但是其研究价值不可忽视。\n“番茄—马铃薯”没有像人们预想的那样地上结番茄、地下长马铃薯，主要原因是：生物体内基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以“番茄—马铃薯”杂种植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，但这些遗传物质的表达相互干扰，它们不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂种植株自然就不能地上结番茄、地下长马铃薯了。近年来，有报道称利用嫁接技术培育出了地上结番茄、地下长马铃薯的植株。\n训练巩固•课堂达标\n1．下列关于细胞工程的发展历程叙述正确的是()A．1902年，哈伯兰特提出了植物细胞全能性概念，相关实验得到证实B．1958年，斯图尔德等使悬浮培养的胡萝卜髓细胞形成了体细胞胚，并发育成完整植株，该实验为细胞全能性理论提供了强有力的支持C．1975年，米尔斯坦和科勒发现仙台病毒具有触发动物细胞融合的效应D．1981年，Wilmut领导的小组用体细胞核克隆出“多莉”羊，使哺乳动物的克隆成为现实B\n解析：1902年，哈伯兰特提出了细胞全能性的理论，但相关的实验尝试没有成功，A错误；1975年，米尔斯坦和科斯等创立了单克隆抗体技术，C错误；克隆羊多莉在1996年诞生，D错误。\n2．植物组织培养中的“脱分化”过程是指()A．已休眠的种子经过处理使种子尽快萌发的过程B．植物根尖、茎尖等处分生组织细胞有丝分裂产生新细胞后分化为各种组织C．愈伤组织细胞分化为根与茎的过程D．离体的植物器官、组织、细胞经培养产生愈伤组织的过程解析：脱分化是指让已经分化的细胞，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的过程。A、B、C都是细胞分裂、分化的过程。D\n3．与传统育种相比，植物体细胞杂交在培育作物新品种方面的重大突破表现在()A．证明杂种细胞具有全能性B．克服远缘杂交不亲和的障碍C．缩短育种周期，减少盲目性D．快速培育无病毒植株，保留杂种优势解析：植物体细胞杂交最重要的优点是克服远缘杂交不亲和的障碍。B\n4.(不定项)菊花的组织培养需要严格的无菌操作，下列说法正确的是()A．培养基连同其他器械一起进行灭菌B．幼苗要先移植到消过毒的蛭石或者珍珠岩等环境下生活一段时间C．植物组织培养的培养基同样适合某些微生物的生长，一旦感染杂菌则前功尽弃D．将菊花茎段插入时应注意方向，不应倒插，是为了防止杂菌污染ABC\n解析：培养基连同其他器械一起进行灭菌，A正确；幼苗要先移植到消过毒的蛭石或者珍珠岩等环境下生活一段时间是为了壮苗，B正确；植物组织培养的培养基同样适合某些微生物的生长，一旦感染杂菌则前功尽弃，C正确；将菊花茎段插入时应注意方向，不应倒插，否则茎段不易形成愈伤组织，D错误。\n5．如图所示为科学家利用番茄细胞和马铃薯细胞杂交培育“番茄—马铃薯”植株的过程，回答下列问题：(1)①②过程使用了________________酶，以去除细胞壁获得原生质体；此处使用的溶液浓度较大，保证植物的细胞会发生__________，以保护原生质体不被破坏。纤维素酶和果胶质壁分离\n(2)过程③在化学药剂__________的作用下会发生植物原生质体的融合。(3)过程____属于脱分化，过程____属于再分化，细胞发生分化的根本原因是__________________。(前两个空用图中的序号作答)(4)过程⑤⑥⑦的细胞工程技术是______________，其培养时选用的材料通常是分生组织，原因是______________________________。(5)植物体细胞杂交的研究在__________________________________方面，取得了巨大突破，其育种的原理是____________。聚乙二醇⑤⑥基因的选择性表达植物组织培养全能性高，易培养形成愈伤组织克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍染色体变异\n解析：(1)植物细胞壁的主要成分为纤维素和果胶，所以①②过程使用纤维素酶和果胶酶，以去除植物细胞壁；此处使用的溶液浓度较大，使细胞失水，保证植物细胞会发生质壁分离，以保护原生质体不被破坏。(2)促使细胞融合的化学药剂是聚乙二醇(或PEG)。(3)过程⑤属于脱分化形成愈伤组织，过程⑥属于再分化形成胚状体；细胞分化的根本原因是基因的选择性表达。(4)过程⑤⑥⑦应用了植物组织培养；分生组织全能性高，易培养形成愈伤组织，所以常作为原材料。(5)植物体细胞杂交克服远缘杂交不亲和的障碍，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围；植物体细胞杂交融合了两种细胞的染色体，变异类型属于染色体变异。