資源簡介

第1節　植物細胞工程
第1課時　植物細胞工程的基本技術
【學習目標】
1.采用模型與建模、歸納與概括的方法掌握植物組織培養和植物體細胞雜交的流程。(科學思維)
2.依據實驗步驟,制訂實驗方案,合作交流,完成菊花的組織培養的操作,并如實記錄實驗數據,得出實驗結論。(科學探究)
【自主預習】
一、細胞工程的概念
項目 內容
利用的 原理、方法 細胞生物學、分子生物學和發育生物學等
操作水平 　細胞器、細胞或組織　水平
目的 獲得特定的　細胞、組織、器官、個體或其產品　
二、植物細胞的全能性
1.概念:細胞經分裂和分化后,仍然具有產生　完整生物體　或分化成其他各種細胞的潛能。
2.現實表現:在生物的生長發育過程中,并不是所有的細胞都表現出　全能性　,有些細胞只能分化成各種　組織和器官　。
3.影響細胞全能性表現的原因:在特定的時間和空間條件下,細胞中的基因會　選擇性　地表達。
三、植物組織培養技術
1.概念:將　離體　的植物器官、組織或細胞等,培養在　人工配制的培養基　上,給予適宜的培養條件,誘導其形成　完整植株　的技術。
2.原理:植物細胞一般具有　全能性　。
3.過程:外植體形成　愈傷組織 幼根和芽完整植株。
(1)脫分化:在一定的　激素和營養　等條件的誘導下,已經分化的細胞失去其特有的　結構和功能　,轉變成　未分化　的細胞,進而形成　愈傷組織　的過程。
(2)愈傷組織:脫分化產生的　不定形的薄壁組織　團塊。
(3)再分化:愈傷組織重新分化成　芽、根　等器官的過程。
(4)激素的作用:植物激素中　生長素　和　細胞分裂素　是啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵激素。
四、植物體細胞雜交技術
1.概念:將　不同　來源的植物體細胞,在一定條件下融合成　雜種細胞　,并把雜種細胞培育成　新植物體　的技術。
2.操作流程
(1)去壁:對應圖中　a　過程,即去除　細胞壁　,獲得具有活力的原生質體,用到的酶是　纖維素酶和果膠酶　。
(2)誘導融合:對應圖中　b　過程,即原生質體的融合。
(3)培養:過程d是　植物組織培養　,其原理是　植物細胞的全能性　。
3.意義:在打破　生殖隔離　,實現　遠緣雜交　育種,培育植物新品種等方面展示出獨特的優勢。
【合作探究】
任務　探究植物細胞工程的基本技術
活動1　探究植物組織培養的原理和基本過程
無論是絢麗多姿的花草,還是碧綠參天的大樹,大多是通過播種或扦插實現繁殖的。其實在一定的條件下,利用它們的一片葉子、一片花瓣,甚至一粒花粉,同樣可以繁殖出新的植株。植物組織培養的基本過程為:
離體的植物器官、
組織或細胞A芽、根完整植株
1.為什么利用植物的體細胞(如花瓣細胞、根細胞)就能培養出完整植株 所有的植物細胞都適合進行植物組織培養嗎
提示　正常的植物體細胞具有該植物生長、發育和繁殖所需的全套遺傳物質,具有全能性。不是,沒有細胞核的篩管細胞無全能性,不適合進行植物組織培養。
2.圖中離體培養的植物器官、組織或細胞通常被稱為什么 ①、②、A分別表示哪些過程或結構
提示　外植體。①過程表示脫分化,②過程表示再分化,A是愈傷組織。
3.在植物組織培養過程中,啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵激素是什么
提示　生長素和細胞分裂素。
4.在植物組織培養的過程中,為什么要進行一系列的消毒、滅菌,并且要求無菌操作
提示　因為培養物一旦受到微生物的污染,這些微生物會和外植體爭奪培養基中的營養物質,并且產生大量對外植體有害的物質,導致外植體死亡。
認知生成
1.不同細胞表現全能性的難易程度(填“>”或“<”,“>”表示易于,“<”表示難于)
(1)體細胞全能性
①分化程度低的細胞　>　分化程度高的細胞。
②分裂能力強的細胞　>　分裂能力弱的細胞。
(2)不同細胞的全能性:受精卵　>　胚胎干細胞　>　生殖細胞　>　體細胞。
(3)不同生物的細胞全能性:植物細胞　>　動物細胞。
2.生長素和細胞分裂素的比例影響植物細胞的發育方向
生長素與細胞分裂素 作用效果
比值　高　時 促進根的分化,抑制芽的形成
比值　低　時 促進芽的分化,抑制根的形成
比值　適中　時 促進愈傷組織的形成
3.植物細胞表現全能性的條件
(1)離體狀態。
(2)營養物質:種類齊全、比例合適。
(3)植物激素:生長素、細胞分裂素。
(4)外界條件:適宜的溫度、pH和光照(愈傷組織的形成和生長需要避光培養,分化需要光照培養)等。
(5)無菌操作。
例1　(2022·紹興期中)下圖表示四倍體蘭花葉片通過植物組織培養形成植株的過程。下列相關敘述正確的是(　　)。
四倍體蘭花葉片愈傷組織胚狀體植株
A.②階段和③階段細胞發生減數分裂
B.①階段需要生長素,而③階段僅需要細胞分裂素
C.此蘭花花藥離體培養所得的植株體細胞中有兩個染色體組
D.①階段不僅有細胞增殖,而且細胞分化速度很快
【答案】　C
【解析】　②階段和③階段細胞發生有絲分裂,A錯誤;植物組織培養的每個階段都需要適當比例的細胞分裂素和生長素,B錯誤;四倍體蘭花葉片含有四個染色體組,減數分裂后產生的生殖細胞含有兩個染色體組,因此此蘭花的花藥離體培養所得的植株體細胞中有兩個染色體組,C正確;愈傷組織是一團未分化的細胞,①階段是脫分化過程,有細胞增殖但沒有細胞分化,D錯誤。
對點練1　(2022·駐馬店期中)下圖為植物組織培養技術的流程圖,下列有關說法正確的是(　　)。
A.實驗中,①試管中細胞表現出來的全能性最強
B.①→②過程需要光照
C.①→④過程中培養基保持不變
D.實驗過程中需細胞分裂素和生長素共同調節
【答案】　D
【解析】　實驗中,②試管中愈傷組織細胞表現出來的全能性最強,A錯誤;①→②為脫分化過程,不需要光照,B錯誤;①→②為脫分化過程,②→③為再分化過程,脫分化和再分化過程中所用的培養基不同,C錯誤。
活動2　探究植物體細胞雜交的原理和過程
　　下圖表示植物體細胞雜交的過程,閱讀教材,據圖思考以下問題:
1.用于去除細胞壁的酶解法中用到的酶是什么酶 誘導原生質體融合用的是什么方法
提示　纖維素酶和果膠酶。誘導原生質體融合的方法基本可分為兩大類——物理法和化學法。物理法包括電融合法、離心法等;化學法包括聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2+—高pH融合法等。
2.植物體細胞融合完成的標志是什么
提示　融合的原生質體再生出新的細胞壁。
3.從結果上看,雜種植株在遺傳上有何特點 從雜種植株的染色體組成上看,屬于何種變異
提示　雜種植株的遺傳物質來自兩個親本,其具有雙親的遺傳性狀。雜種植株染色體數目增加,屬于染色體數目變異。
4.從新品種培育的角度分析,植物體細胞雜交技術最大的優點是什么
提示　克服了不同種植物遠緣雜交不親和的障礙,使不同種植物雜交成為可能。
5.科學家采用植物體細胞雜交的方法得到了“番茄—馬鈴薯”雜種植株,但這種植株并沒有地上結番茄、地下長馬鈴薯。如何解釋這一現象
提示　基因之間、基因與基因產物之間、基因與環境之間存在著復雜的相互作用,兩種生物的基因結合到一個細胞中后,不能按照原來的順序表達了。
認知生成
1.植物組織培養和植物體細胞雜交的比較
名稱 植物組織培養 植物體細胞雜交
原理 　植物細胞的全能性　 　細胞膜具有流動性和植物細胞的全能性　
過程
選材 　根尖、莖尖、形成層　等最容易誘導脫分化的部位 不同的植物細胞
技術 操作 脫分化、再分化等 除脫分化、再分化外,還要用　酶解　法去除細胞壁,用一定的方法誘導　細胞融合　
關系 植物組織培養是植物體細胞雜交的基礎,植物體細胞雜交所用的技術更復雜
2.植物體細胞雜交過程中雜種細胞的類型及檢測方法
(1)誘導產物(假設用于雜交的兩種植物細胞分別為A、B)
①未融合的細胞:　A和B　。
②兩兩融合的細胞:　AA、BB和AB　。
③多細胞融合體。
(2)檢測方法:對誘導產物中的細胞進行植物組織培養,然后根據得到的植物性狀進行判斷。
植物性狀 結論
只表現出一種植物的性狀 細胞未融合
表現出兩種親本的性狀 得到雜種植株
表現出兩種親本的性狀,且一種植物的性狀得到加強 得到多細胞融合體
表現出一種植物的性狀,但是效果得到加強 同種細胞融合
例2　(2022·鹽城期中)下圖表示用草木樨狀黃芪(2n=32)和木本霸王(2n=22)培育抗鹽新品種的過程,有關敘述正確的是(　　)。
A.①過程需在低滲溶液中用相應的酶處理
B.植物體細胞雜交的最大優點在于能夠定向改變生物的遺傳性狀
C.③過程完成的標志是兩個細胞核完全融合
D.經過④過程所得的愈傷組織細胞含有四個染色體組
【答案】　D
【解析】　①過程需在等滲溶液中用相應的酶處理,避免細胞吸水漲破,A錯誤;植物體細胞雜交的最大優點在于能夠打破生殖隔離,實現遠緣雜交,B錯誤;③過程完成的標志是再生出新的細胞壁,C錯誤;草木樨狀黃芪(2n=32)和木本霸王(2n=22)均為二倍體植株,經過④過程所得的愈傷組織細胞含有四個染色體組,D正確。
易錯易混　　植物體細胞雜交過程中的注意事項
1.植物體細胞雜交的培養基中要添加蔗糖溶液且其濃度要略大于植物細胞質濃度,蔗糖不僅為原生質體提供營養,而且還能維持一定的滲透壓,使原生質體保持正常的形態。
2.兩種植物體細胞兩兩融合的細胞類型有3種(AA、BB、AB),而真正符合要求的類型是AB型,因此要對融合細胞進行篩選。
3.體細胞雜交過程中涉及的遺傳知識
(1)從生殖類型上看,植物體細胞雜交技術沒有涉及生殖細胞的形成和結合,屬于無性生殖。雜種植株由于含有兩個親本的遺傳物質,因此理論上應具有兩個親本的遺傳性狀。
(2)通過體細胞雜交技術培育新品種的過程中,遺傳物質的傳遞不遵循孟德爾的遺傳規律,只有在有性生殖的生物進行減數分裂的過程中才遵循遺傳規律,而體細胞雜交沒有此過程。
對點練2　(2022·揭陽調研)科學家將天竺葵和香茅草的原生質體誘導融合,培育出含有香茅醛的驅蚊草,培育過程如圖所示。有關說法正確的是(　　)。
A.過程Ⅱ常用的誘導方法有電融合法、滅活病毒誘導法等
B.該培育過程一定要用到纖維素、果膠酶、PEG等試劑
C.植物體細胞雜交技術克服了不同物種間雜交不親和的障礙
D.若要誘導組織生芽,則f培養基中生長素含量應高于細胞分裂素
【答案】　C
【解析】　過程Ⅱ是誘導原生質體融合,不能用滅活病毒誘導法,A錯誤;誘導原生質體融合除PEG融合法,還可用高Ca2+—高pH融合法、電融合法,故該過程不一定要用到PEG試劑,B錯誤;植物體細胞雜交的意義在于克服了不同生物遠緣雜交不親和的障礙,C正確;若要誘導組織生芽,則f培養基中生長素含量應低于細胞分裂素,D錯誤。
素能提升　通過對植物組織培養及植物體細胞雜交過程的分析,提高實驗設計和分析能力,培養社會責任感
　　(2022·揚州期中)園藝工作者在栽培開黃花的蘭花品種時,偶然發現了一株開白花的蘭花。以這株開白花的蘭花作為實驗材料,利用離體的組織或細胞培育出完整的植株。據圖回答下列問題:
植物組織
或細胞愈傷
組織胚狀
體幼苗植株
(1)培養材料選自白花植株的不同部位,下列細胞中不適合進行植物組織培養的是　　。
A.表皮細胞　　　　　　　 B.葉肉細胞
C.成熟篩管細胞 D.莖尖分生區細胞
(2)圖中生理過程　　　　　　(填圖中字母和名稱)是對細胞分化不可逆的否定。經過程b產生的胚狀體中出現形態、結構不同的細胞,其根本原因是　　　　　　　　　。
(3)鐵皮石斛是我國的名貴中藥,生物堿是其有效成分之一。應用植物組織培養技術培養鐵皮石斛擬原球莖(簡稱PLBs,類似愈傷組織)生產生物堿的實驗流程如下:
在固體培養基上,PLBs質量、生物堿含量隨培養時間的變化如下圖所示,請回答下列問題:
選用新生營養芽為外植體的原因是 　。
據圖分析,與黑暗條件下相比,PLBs在光照條件下生長的優勢體現在生長起始較快、快速生長時間較長、　　　　　　等方面。
脫落酸(ABA)能提高生物堿含量,但會抑制PLBs的生長。若采用液體培養,推測添加適量的ABA可提高生物堿產量。同學們擬開展探究實驗驗證該推測,在設計實驗方案時探討了以下問題:
①ABA的濃度梯度設置和添加方式:設3個ABA處理組、1個空白對照組,3次重復。因為ABA受熱易分解,故一定濃度的無菌ABA母液應在各組液體培養基　　　　　后按比例加入。
②實驗進程和取樣:實驗60天完成,每10天取樣,將樣品(PLBs)稱重(g/瓶)后再測定生物堿含量。若初始(第0天)數據已知,則實驗過程中一共需測定的樣品數為　　　　　個。
③依所測定數據確定適宜的ABA濃度和培養時間:當某3個樣品(重復樣)的　　　　　　　　　　　時,其對應的ABA濃度為適宜濃度,對應的培養時間是適宜培養時間。
【答案】　(1)C　(2)a脫分化　基因的選擇性表達　(3)新生營養芽細胞分化程度低,分裂能力強,容易誘導形成PLBs　質量增長較多　①滅菌、冷卻　②72　③生物堿含量平均值最大
【解析】　(1)嫩枝或分化程度較低的部位的細胞分裂能力強、分化程度低,全能性容易表達,所以外植體一般選用嫩枝或分化程度較低的部位,莖尖分生區細胞符合要求,表皮細胞、葉肉細胞雖已高度分化,但其細胞核中含有全套遺傳物質,也可用于植物組織培養,而成熟篩管細胞的細胞器和細胞核都退化了,其不能分裂分化,不適合進行植物組織培養。(2)一般而言,細胞分化是一個不可逆的過程,而圖中生理過程a脫分化是對其的否定。經過程b產生的胚狀體中出現形態、結構不同的細胞是細胞再分化的結果,細胞分化的根本原因是基因的選擇性表達。(3)新生營養芽細胞分化程度低,分裂能力強,容易誘導形成PLBs,因此常用新生營養芽為外植體。結合題圖可知,與黑暗條件下相比,PLBs在光照條件下質量增長較多、生長起始較快、快速生長時間較長。①因ABA受熱易分解,不適合用高壓蒸汽滅菌,且ABA母液是無菌的,故應在各組液體培養基高壓蒸汽滅菌、冷卻后再加入。②若初始(第0天)數據已知,每10天取樣,實驗60天完成,設3個ABA處理組、1個空白對照組,3次重復,即每10天需測定的樣品數為12個,因此待第60天完成,一共有6次樣品測定,一共需要測定的樣品數為12×6=72個。③當某3個樣品(重復樣)的生物堿含量平均值最大時,其對應的ABA濃度為適宜濃度,對應的培養時間是適宜培養時間。
【隨堂檢測】
課堂小結 課堂小測
1.植物的每個細胞在植物體內和體外都能表現出細胞的全能性。 (×) 2.脫分化和再分化是植物組織培養的重要過程。 (√) 3.在植物組織培養過程中需要給予光照,以誘導脫分化過程。 (×) 4.植物體細胞雜交要先去除細胞壁的原因是細胞壁阻礙了原生質體的融合。 (√) 5.植物體細胞雜交過程中,細胞融合成功的標志是產生新的細胞壁。 (√) 6.在植物組織培養過程中,細胞的遺傳物質一般都會發生改變。 (×) 7.在愈傷組織形成幼苗的再分化過程中,不會發生細胞的增殖。 (×) 8.在進行植物組織培養過程中,接種時可以不考慮外植體的方向。 (×)
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