2018学年高中生物第3章细胞工程第1节植物细胞工程第1课时植物细胞工程的基本技术同步备课教学案北师大版选修

第1课时　植物细胞工程的基本技术[目标导读]　1.结合教材P47图3－2和实验内容，掌握植物组织培养技术。2.分析教材P49图3－3，理解植物体细胞杂交技术。[重难点击]　1.细胞全能性的含义及其在植物组织培养中的应用。2.植物组织培养技术。3.植物体细胞杂交技术。“君子”兰的快速繁殖“春风欲擅秋风巧，催吐幽兰继落梅”，素有“天下第一香”之称的兰花，以其优美高雅的叶片和芳香艳丽的花朵，成为自古以来文人墨客吟诗作赋的对象。但是，兰花在自然条件下播种繁殖的难度很大，需要较长时间才能获得少量幼苗。如何才能满足人们对兰花的需求呢？科学家在细胞全能性的理论基础上发现了兰花快速繁殖的技术——植物组织培养。植物组织培养是植物细胞工程的核心技术，植物细胞工程的基本技术还有哪些？又在哪些方面得到了应用呢？14 一、植物组织培养技术1．理论基础植物细胞的全能性，其含义是具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能。2．技术类型(1)植物的细胞培养：对选定的植物细胞进行培养，主要的方法是细胞悬浮培养，是植物体细胞杂交、植物细胞核移植、显微注射和细胞代谢产物大规模生产等技术的基础。(2)原生质体培养：利用纤维素酶和果胶酶去除植物的细胞壁，可以获得原生质体，原生质体培养是植物体细胞杂交和显微注射技术的基础。(3)花粉和花药培养：快速选育出稳定遗传的植株。(4)植物离体胚培养：分为幼胚培养和成熟胚培养，常用于挽救远缘杂交的种子幼胚。3．实验：小麦种胚的组织培养(1)实验原理在特定的营养和激素条件下，小麦的种胚可以脱分化形成愈伤组织，然后再分化生成幼苗，进而发育成完整的小麦植株。(2)方法步骤①将小麦种子在水中浸泡过夜，在超净工作台上用次氯酸钠溶液处理30min后，立即用无菌水清洗2～3次。剥离种胚，接种到培养基上，封盖培养瓶口。②将培养瓶置于23℃～26℃恒温箱中避光培养，获得愈伤组织。③将生长状态良好的愈伤组织转接到分化培养基上，置于23℃～26℃的恒温箱中光照培养，获得幼苗。④当幼苗生长到3～4cm时，转接到生根培养基上，继续光照培养。⑤对幼苗进行7d炼苗处理，然后移栽到土壤中。4．植物组织培养的概念在无菌和人工控制的条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，最终诱导产生愈伤组织、丛芽或完整的植株。以下是利用胡萝卜的组织进行植物组织培养的过程，请分析：14 1．①②分别表示什么过程？答案　脱分化、再分化。2．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？答案　防止杂菌污染。杂菌能在培养基上迅速生长消耗营养，且有些杂菌会危害培养物的生长。3．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？答案　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的细胞，故愈伤组织中不会含有叶绿体。4．植物组织培养中的脱分化阶段，培养的组织细胞是自养型还是异养型？为什么？答案　脱分化过程中细胞营异养生活，因为此时细胞没有叶绿体，并且一般要避光培养，无法进行光合作用。1．如图所示为胡萝卜的韧皮部细胞通过无菌操作接入试管后，在一定的条件下，形成试管苗的培育过程。请据图回答下列问题：(1)要促进细胞分裂生长，培养基中应有营养物质和激素。营养物质包括__________和小分子有机物，激素包括细胞分裂素和__________两类植物激素。(2)此过程依据的原理是________________。A和B阶段主要进行的分裂方式是__________，B阶段除了细胞分裂外，还进行细胞________等。(3)此过程要无菌操作，主要是指对__________进行灭菌消毒。B阶段需要光照，原因是________________________________________________。(4)试管苗的根细胞没有叶绿素，而叶肉细胞具有叶绿素，这是基因______________的结果。答案　(1)无机物　生长素　(2)细胞的全能性　有丝分裂　分化　(3)培养基　芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件　(4)选择性表达解析　图中A为脱分化过程，B为再分化过程。A过程需避光培养，B过程需光照培养。题后归纳　植物组织培养的注意事项14 (1)实验成功的关键是避免微生物污染，所有实验用具需严格灭菌，确保实验过程无菌操作。(2)培养基中必须含有植物生长所必需的全部营养，如矿质元素、糖、维生素等。(3)离体的植物细胞、组织和器官脱分化形成愈伤组织时，需避光培养；再分化时，却要在光照条件下进行。(4)再分化过程是先进行生芽培养，再进行生根培养。(5)植物激素，特别是生长素和细胞分裂素的配比对器官的发生具有一定的影响。比值高时，有利于根的分化，抑制芽的形成；比值低时，有利于芽的分化，抑制根的形成；比值适中时，促进愈伤组织的生长，不分化。二、植物体细胞杂交技术1．概念植物体细胞杂交就是将不同种的植物体细胞原生质体在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成完整植物体的技术。2．原理：细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。3．过程(1)用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁，制备原生质体。(2)诱导原生质体融合：方法有物理法和化学法两类。物理法包括离心、振动、电刺激等；化学法一般用聚乙二醇(PEG)诱导。(3)杂种细胞再生出细胞壁的过程，这是原生质体融合成功的标志。(4)进行植物组织培养，获得杂种植株。4．优点：克服远缘杂交不亲和的障碍，大大扩大了可用于杂交的亲本组合范围。5．未解决的问题：还不能让杂种植物按人们的要求表现出亲代的性状。6．植物细胞工程的概念利用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，以植物细胞为基本单位进行培养增殖或按照人们的意愿来改造细胞的某些生物学特征，从而获得细胞产品的一门综合技术。下图是两种植物进行植物体细胞杂交的过程，请分析：1．将来自不同植物的两个体细胞融合时，首先遇到的障碍是什么？怎样解除此障碍？答案　细胞壁阻碍细胞间的融合。用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。14 2．将两个不同种的植物细胞A和B去除细胞壁后，经一定的方法促融，常用的化学促融剂是什么？如果只考虑两两融合，可以形成几种融合细胞？哪种融合细胞才是符合要求的？答案　聚乙二醇；三种(AA、BB、AB)，AB融合细胞才是符合要求的。3．杂种植物在遗传上有何特点？从染色体组成上看杂种植株的变异属于哪一种？答案　遗传物质来自两个亲本，具有双亲的遗传性状。染色体数目变异。4．与传统有性杂交相比，植物体细胞杂交技术的优点是什么？答案　克服了植物远缘杂交不亲和的障碍，打破了物种之间的生殖隔离。2．如图为“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细胞的原理是生物膜具有流动性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答案　C解析　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细胞的原理是细胞膜的流动性，诱导a、b细胞融合的化学试剂一般用聚乙二醇，d、e分别为脱分化和再分化。知识拓展　体细胞杂交过程中涉及的遗传知识(1)从生殖类型上看，植物体细胞杂交技术没有生殖细胞的形成和结合，应属于无性生殖，变异类型应是染色体数目的变异，但由于含有两个亲本的遗传物质，因此具有两个亲本的遗传性状。(2)体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管染色体、基因组还是染色体组都采用直接相加的方法。14 1．下列有关细胞全能性的叙述，正确的是(　　)A．植物体只有体细胞才具有发育成完整个体所必需的全套基因B．高度分化的植物细胞只有处于离体状态时才有可能表现出全能性C．植物体内某些体细胞没有表现出全能性，其原因是所含基因不同D．紫色糯性玉米种子培育成植株，这反映植物种子具有全能性答案　B解析　细胞具有全能性的原因是细胞具有发育成完整个体所必需的全套基因，而配子也具有这样的全套基因，同样具有全能性；植物体内细胞没有表现出全能性，这是细胞内基因在特定时间和空间条件下选择性表达的结果；种子发育成植株，是正常的生命历程，不属于全能性。2．如图为植物组织培养过程，有关说法不正确的是(　　)14 A．b试管中细胞全能性最高B．d试管中培育出的个体都是纯合体C．a→b的过程不需要光照D．a→d的细胞分裂方式都是有丝分裂答案　B解析　试管中的试管苗来源相同，都是通过植物组织培养发育而成的，植株的基因型相同，但不一定是纯合体。3．下列有关原生质体的叙述中，正确的是(　　)①组成原生质体的主要生命物质是蛋白质和核酸②原生质体包括细胞膜、液泡膜及两者之间的细胞质③被除去细胞壁的活的植物细胞是原生质体④原生质体只能用于植物细胞工程A．①②B．①③C．③④D．①④答案　B解析　细胞壁不是原生质体的成分，组成原生质体的主要生命物质是蛋白质和核酸，全部的细胞膜、细胞质、细胞核是细胞工程中的原生质体，细胞膜、液泡膜以及两者之间的细胞质构成的是原生质层。4．A种植物细胞(基因型为Aa)、B种植物细胞(基因型为Bb)去掉细胞壁后，诱导两种细胞的原生质体融合，形成单核的杂种细胞。则经过组织培养得到的杂种植株是(　　)A．二倍体，基因型为AaBbB．二倍体，基因型为AAaaBBbbC．四倍体，基因型为AaBbD．四倍体，基因型为AAaaBBbb答案　C解析　杂种植株为四倍体，基因型为AaBb。5．如图表示植物组织培养过程，请回答下列问题：14 (1)图中①过程获得的细胞是正常植物体经__________形成的，在这一过程中的染色体的变化是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)要顺利完成③过程，除了需要各种无机营养物质外，还需要在培养基中加入________________、__________(两类不同功能的物质)。该过程形成的细胞与正常体细胞相比，具有______________________________的特点。(3)从过程④的结果看，它的本质是____________________________________________。(4)某人在探究细胞脱分化和再分化的实验中，得到了如下结果：①只有细胞分裂素时，组织块产生愈伤组织②细胞分裂素＝生长素时，愈伤组织不分化③细胞分裂素＞生长素时，愈伤组织分化出芽④细胞分裂素＜生长素时，愈伤组织分化出根由实验结果，你能得出什么结论？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案　(1)减数分裂　染色体复制一次，细胞分裂两次，子细胞中染色体数目是亲代细胞的一半　(2)有机营养物质　植物激素　排列疏松、高度液泡化、细胞壁薄　(3)基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果(4)植物激素的种类和含量不同，对愈伤组织的形成和分化的影响不同课时作业[基础过关]1．下列实验中能体现细胞全能性的是(　　)①用悬浮培养的胡萝卜单个细胞培养成了可育的植株　②植物用种子繁殖后代　③用烟草培养的单个组织培育出了可育的完整植株A．①②B．①③C．②③D．①②③答案　B2．生物体内细胞没有表现出全能性，而是分化为不同的组织、器官，这是因为(　　)A．细胞丧失了全能性B．基因的选择性表达C．不同的细胞内基因不完全相同D．在个体发育的不同时期，细胞内的基因发生了变化14 答案　B解析　生物体内的细胞表现不出全能性，是因为发生了基因的选择性表达而分化为不同的组织和器官。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，下列哪一项条件一般是不需要的(　　)A．消毒、灭菌B．适宜的温度C．充足的光照D．适宜的养料和激素答案　C解析　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，因此一般不需要光照。4．下列有关植物组织培养过程中细胞脱分化的叙述，不正确的是(　　)A．已经分化的细胞失去特有的结构和功能而转变成未分化的细胞的过程B．已经分化的细胞转变成为具有分生能力的薄壁细胞，进而形成植物的愈伤组织的过程C．离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程D．离体的植物组织在脱分化形成愈伤组织的过程中必须经过有关激素的诱导答案　C解析　脱分化是指已分化的细胞，失去特有的结构和功能而转变成未分化的细胞(愈伤组织)的过程。5．要想通过体细胞杂交技术获得杂种植株，下列各项步骤中正确的是(　　)A．分离原生质体→诱导原生质体融合→再生细胞壁→组织培养→杂种植株B．分离原生质体→原生质体自然融合→再生细胞壁→组织培养→杂种植株C．病毒诱导原生质体融合→组织培养→杂种植株D．分离原生质体→脱分化→再分化→杂种植株答案　A解析　植物体细胞杂交技术首先要获得不同生物的体细胞，用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁得到原生质体，再通过物理法或化学法诱导原生质体融合成杂种细胞，再经组织培养形成杂种植株。6．下列有关植物体细胞杂交的叙述中，不正确的是(　　)A．用酶解法去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体B．诱导两种植物细胞的原生质体融合，进而形成杂种细胞C．植物体细胞杂交的最终目的是获得细胞代谢产物D．植物体细胞杂交技术可以克服不同种间远缘杂交不亲和的障碍14 答案　C解析　植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，因此可以用纤维素酶和果胶酶去掉细胞壁；原生质体在物理法或化学法诱导下可融合成杂种细胞；植物体细胞杂交的目的是获得杂种植株。[能力提升]7．下列关于植物组织培养的叙述中，错误的是(　　)A．培养基中添加蔗糖的目的是提供营养和调节渗透压B．培养基中的生长素和细胞分裂素影响愈伤组织的生长和分化C．离体器官或组织的细胞都必须通过脱分化才能形成愈伤组织D．同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织基因相同答案　D解析　绿色开花植物的细胞有两种：体细胞和配子细胞，这两种细胞所含的核型(基因)是不同的，同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织基因可能不同。8．如图表示四倍体兰花叶片通过植物组织培养形成植株的过程，下列相关叙述中正确的是(　　)A．②和③阶段会发生减数分裂B．①阶段需生长素而③阶段需细胞分裂素C．①阶段有细胞增殖但无细胞分化D．此兰花的花药离体培养所得植株为二倍体答案　C解析　图中①是脱分化，②、③是再分化。②和③阶段会发生有丝分裂。①阶段和③阶段都需生长素和细胞分裂素，只是二者比例不同。此兰花的花药离体培养所得植株为单倍体。9．下列关于植物体细胞杂交的叙述中，错误的是(　　)A．不同种植物原生质体融合的过程属于植物体细胞杂交过程B．参与杂种细胞细胞壁形成的细胞器主要是线粒体和核糖体C．植物体细胞杂交技术可克服生殖隔离的限制，培育远缘杂交植株D．杂种植株表现出的性状是基因选择性表达的结果答案　B解析　植物体细胞杂交就是将不同种的植物体细胞原生质体在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成完整植物体的技术。杂种植株能具有两种植物的性状，但是由于基因的选择性表达，其不能表现两种植物所有的性状，细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，形成过程与高尔基体有关。14 10．植株甲是二倍体水稻，利用植株甲获得了植株乙，而后利用植株甲和乙又获得了植株丙和丁。培养过程如图所示。下列有关叙述正确的是(　　)A．用秋水仙素处理植株甲的雌蕊柱头可获得植株乙B．植株丙与植株丁的体细胞中染色体组的数目相同C．植株甲与植株乙正交和反交所得种子的胚乳的基因型不同D．获得植株丙和植株丁的过程都属于有性繁殖答案　C解析　用秋水仙素处理植株甲萌发的种子或幼苗可得到植株乙；图示丙植株体细胞中染色体组数应为3，而丁植株体细胞中染色体组数应为6；获得植株丙的过程为有性繁殖，获得植株丁的过程为无性繁殖。11．科学家利用植物体细胞杂交技术成功获得了番茄—马铃薯杂种植株，为了便于杂种细胞的筛选和鉴定，科学家利用红色荧光和绿色荧光分别标记番茄和马铃薯的原生质体膜上的蛋白质，其培育过程如图所示，请据图回答下列问题：(1)植物体细胞杂交依据的生物学原理有________________________________。(2)过程①常用的酶是____________________，细胞融合完成的标志是__________________。(3)植物原生质体融合过程常利用化学试剂____________诱导融合，在鉴定杂种原生质体时可用显微镜观察，根据细胞膜表面荧光的不同可观察到__________种不同的原生质体(只考虑细胞两两融合的情况)，当观察到______________________________________时可判断该原生质体是由番茄和马铃薯融合而成的。(4)过程③和过程④依次为_____________________________________________，过程④中的培养基常添加的植物激素是__________________________。(5)若番茄细胞内有m条染色体，马铃薯细胞内有n条染色体，则“番茄—马铃薯”细胞在有丝分裂后期含______条染色体。若杂种细胞培育成的“番茄—马铃薯”植株为四倍体，则此杂种植株的花粉经离体培育得到的植株属于____________植株。14 答案　(1)细胞膜的流动性、植物细胞的全能性　(2)纤维素酶和果胶酶　再生出新的细胞壁　(3)聚乙二醇(或PEG)　3　融合的细胞表面既有红色荧光又有绿色荧光　(4)脱分化和再分化　生长素和细胞分裂素　(5)2(m＋n)　单倍体解析　(1)植物体细胞杂交包括原生质体融合和培育杂种植株两大步骤，两者的原理分别是细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。(2)去除细胞壁常用的酶是纤维素酶和果胶酶，细胞融合完成的标志是再生出新的细胞壁。(3)化学促融剂是聚乙二醇，两两融合的原生质体有三种：番茄—番茄、马铃薯—番茄、马铃薯—马铃薯，其中杂种细胞的细胞表面有两种颜色的荧光。(4)过程③和过程④分别表示脱分化和再分化，诱导细胞分化所用的植物激素主要是生长素和细胞分裂素。(5)“番茄—马铃薯”体细胞有m＋n条染色体，有丝分裂后期染色体数目加倍；由配子发育成的个体均为单倍体。12．玉米是雌雄同株异花的单子叶植物，是生产和科研的好材料。现有两个玉米品种，其基因型分别为yyRr和Yyrr。科学家将它们的花粉除去细胞壁后进行原生质体融合，再把这些融合细胞进行组织培养，培育出了玉米新品种。请回答问题：(1)上述育种方法采用了________________________________技术，这项研究的意义是________________________________。(2)在植物组织培养的培养基中除了有必要的营养物质外，还必须添加__________________。培养过程中，融合细胞首先通过细胞分裂形成__________，这个过程叫__________。(3)在植物组织培养一段时间后，发现不同细胞所含蛋白质种类和数量有明显差异，其原因是______________________________________。(4)两个品种的花粉进行原生质体融合后，可产生________种基因型的融合细胞(仅考虑两两融合)，这些融合细胞再经过组织培养可以得到________种不同于亲本表现型的玉米新品种。答案　(1)植物体细胞杂交和植物组织培养　克服了远缘杂交不亲和的障碍　(2)植物激素(细胞分裂素和生长素)　愈伤组织　脱分化　(3)基因的选择性表达　(4)6　2解析　利用两个植物细胞融合培育新植株的技术为植物体细胞杂交，该技术可解决不同物种间因存在生殖隔离而不能自然杂交的问题。在细胞分化过程中，由于细胞内基因的选择性表达，合成了不同种类的蛋白质。植株yyRr可产生基因组成为yR和yr的两种花粉，植株Yyrr可产生基因组成为Yr和yr的两种花粉，考虑同种和不同种花粉间的两两融合，可获得6种基因组成的融合细胞，即yyRR、yyrr、YYrr、yyRr、YyRr、Yyrr，这些细胞经过培养后得到的新品种中，共有4种表现型，其中有2种与亲本不同。13．通过细胞工程技术，利用甲、乙两种植物的各自优势(甲耐盐、乙高产)，培育高产耐盐的杂种植株。请完善下列实验流程并回答问题：14 (1)A是__________________酶，B是______________，D是具有________优良性状的胚状体或丛芽。D长成的幼苗需要选择的原因是______________________________________。(2)由C形成植株的过程利用了________________技术，形成愈伤组织需要经过__________________过程，愈伤组织形成D需要经过______________过程。整个培养过程要在__________条件下进行。(3)植物体细胞融合成功的标志是______________________。目前植物体细胞杂交还存在许多问题没有解决，如____________________________________________，尽管如此，这项新技术在__________________________等方面取得的重大突破还是震撼人心的。答案　(1)纤维素酶和果胶　融合的原生质体　耐盐　有耐盐高产和耐盐不高产两种　(2)植物组织培养　脱分化　再分化　无菌　(3)再生出新的细胞壁　不能按照人的意愿表达出两个亲本的性状　克服远缘杂交不亲和的障碍解析　图中A是用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，B是融合的原生质体，C是杂种细胞，D是具有耐盐性状的杂种植株。[真题体验]14．(2013·新课标Ⅱ，40节选)甲、乙是染色体数目相同的两种二倍体药用植物，甲含有效成分A，乙含有效成分B。某研究小组拟培育同时含有A和B的新型药用植物。回答下列问题：(1)为了培育该新型药用植物，可取甲和乙的叶片，先用________酶和________酶去除细胞壁，获得具有活力的______________，再用化学诱导剂诱导二者融合。形成的融合细胞进一步培养形成__________组织，然后经过__________形成完整的杂种植株。这种培育技术称为______________________。(2)上述杂种植株属于多倍体，多倍体是指______________________________________。假设甲与乙有性杂交的后代是不育的，而上述杂种植株是可育的，造成这种差异的原因是__________________________________________________________________。答案　(1)纤维素　果胶　原生质体　愈伤　再分化(分化)　植物体细胞杂交技术(2)体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体　在减数分裂过程中，前者染色体联会异常，而后者染色体联会正常14 解析　(1)该新型药用植物是通过植物体细胞杂交技术获得的。要获得有活力的原生质体才能进行植物体细胞杂交，因此首先用纤维素酶和果胶酶去掉植物的细胞壁，然后用PEG化学诱导剂(物理法：离心、振动等)诱导二者的原生质体融合。然后采用植物组织培养技术获得杂种植株，植物组织培养的主要过程是：先脱分化形成愈伤组织，然后再分化形成植物体，利用了植物细胞的全能性。(2)如果植物甲、乙是两个物种，二者不能通过有性杂交产生可育后代，原因是甲、乙有性杂交所产生的后代，在减数分裂过程中同源染色体联会异常，不能产生可育的配子。而植物体细胞杂交产生的杂种植株，细胞内含有原物种细胞内的染色体，在减数第一次分裂过程中能够进行同源染色体配对，产生可育的配子。14