1、第第 1 1 节节 植物细胞工程植物细胞工程 第第 1 1 课时课时 植物细胞工程的基本技术植物细胞工程的基本技术 植物组织培养技术 自主梳理 1. 细胞工程的定义 2. 植物组织工程的理论基础植物细胞的全能性 3. 植物细胞培养技术 (1)由于植物所有的体细胞都来源于受精卵的有丝分裂，所以在植物个体发育的过程中，所有的细胞都能表现出全能性。() 提示： 虽然植物所有的体细胞都来源于受精卵的有丝分裂， 但在个体发育过程中，在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性的表达，所以不能表现出全能性。 (2)外植体经脱分化可形成愈伤组织，愈伤组织经再分化可诱导生根或生芽。() (3)高度分化的细胞
2、， 只有发育成一个完整的生物个体， 才能体现出细胞的全能性。() 提示：高度分化的细胞，只要是能发育成完整生物个体，或者分化形成其他各种细胞，都认为是表现出了全能性。 (4)植物组织培养技术的理论基础是植物细胞的全能性。() 典型例题 (2020 天津等级考，15)某植物有 A、B 两品种。科研人员在设计品种A 组织培养实验时，参照品种 B 的最佳激素配比(如表)进行预实验。 品种 B 组织培养阶段 细胞分裂素浓度(mol/L) 生长素浓度(mol/L) 诱导形成愈伤组织 m1 n1 诱导形成幼芽 m2 n2 诱导生根 m3 n3 据表回答： (1)阶段时通常选择茎尖、幼叶等作为外植体，原因是
3、_ _ _。 (2)在、阶段中发生基因选择性表达的是_阶段。 (3)为确定品种 A 的阶段的最适细胞分裂素浓度，参照品种 B 的激素配比(m12.0)，以 0.5 mol/L 为梯度，设计 5 个浓度水平的实验，细胞分裂素最高浓度应设为_mol/L。 (4)阶段时，科研人员分别选用浓度低于或高于 n3 mol/L 的生长素处理品种 A幼芽都能达到最佳生根效果，原因是处理幼芽时，选用低浓度生长素时的处理方法为_，选用高浓度生长素时的处理方法为_ _。 (5)在_阶段用秋水仙素对材料进行处理，最易获得由单个细胞形成的多倍体。 解析 (1)选择茎尖、 幼叶等作为外植体是因为其富含分生组织， 细胞分化
4、程度低，诱导其脱分化形成愈伤组织更容易。(2)阶段、分别涉及脱分化、再分化和再分化过程，细胞形态、结构和功能在这些阶段都发生了变化，都存在基因的选择性表达。(3)因为 m1 mol/L 为品种 B 在阶段的最佳激素配比中的细胞分裂素浓度，所以确定品种 A 在阶段的最适细胞分裂素浓度时，若以 0.5 mol/L 为梯度设计 5 个浓度水平，设置的浓度由低到高应依次为 m11.0、m10.5、m1、m10.5、m11.0(单位均为 mol/L)。(4)用浸泡法处理幼芽时使用的生长素浓度较低，处理时间较长，用沾蘸法处理幼芽的时间较短，使用的生长素浓度较高，二者均可以得到最佳生根效果。(5)秋水仙素通
5、过抑制分裂期纺锤体的形成使染色体加倍；、阶段中部分细胞可能已发生分化，失去了分裂能力，故用秋水仙素处理这两个阶段的材料，并非所有细胞的染色体数目都会加倍；而阶段形成的愈伤组织细胞都由已分化细胞经过脱分化形成， 分化程度较低， 分裂能力较强，该阶段中使用秋水仙素使染色体数目加倍， 更容易获得由单个细胞形成的多倍体。 答案 (1)细胞分化程度低，容易诱导产生愈伤组织 (2)、 (3)m11.0 (4)浸泡法(长时间处理) 沾蘸法(短时间处理) (5) 变式训练 (2020 黑龙江双鸭山一中高二期末)玉米是一种主要的农作物，为了提高玉米的产量，科学家在玉米育种和栽培中作了大量的研究。如图是关于玉米培
6、养的过程，据图判断下列说法中错误的是( ) A.从繁殖原理上分析，AD 属于无性生殖 B.植株 D 和 G 中的染色体组数不同 C.EG 不能体现细胞的全能性 D.EF 过程中获得的植株一般不用于大田生产 解析 AD 是植物组织培养过程， 从繁殖原理上分析， 属于无性生殖， A 正确；植株 D 是二倍体植株，植株 G 是单倍体植株，体内的染色体组数不同，B 正确；EG 表示花药离体培养形成单倍体幼苗的过程，该过程体现了植物细胞的全能性，C 错误；EF 过程中获得的植株是单倍体植株，高度不育，一般没有直接的使用价值，D 正确。 答案 C 联想质疑 植物组织培养是利用植物细胞的全能性，通过脱分化、
7、再分化，最终形成完整植株的过程。 1.植物细胞要表现出全能性，需要同时满足哪些主要条件？ 提示：离体；人工配制的培养基；适宜的培养条件；无菌等。 2.脱分化和再分化都属于细胞的分化过程吗？为什么？ 提示：再分化属于细胞的分化过程，脱分化不属于细胞分化的过程，而是摆脱分化恢复未分化状态。 生长素/细胞分裂素适中促进愈伤组织的形成。 生长素细胞分裂素利于根的分化 (1)诱导再分化时，植物激素的比例不同，实验结果就会不同； (2)诱导脱分化时，通常要避光培养；诱导再分化时，通常要给予适宜的光照。 在植物组织培养中常常添加植物激素，但不是都必须添加植物激素，对于那些组织培养比较容易的材料，培养基中可不
8、添加植物激素，如菊花茎段的组织培养。 实践：菊花的组织培养 自主梳理 提醒：胚状体是指离体培养条件下，没有经过受精过程，但是经过了胚胎发育过程所形成的胚状类似物，因而统称为体细胞胚或胚状体。 (1)植物激素中的生长素和赤霉素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。() 提示：植物激素中的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)菊花组织培养过程中，前后三次所用到的培养基其作用是不同的。() (3)试管苗在诱导形成后， 就可以直接移栽到土壤中， 不过还需要适时浇水、 施肥。() 提示：试管苗在诱导形成后，要先经过壮苗等过程才可以移栽到土壤中。 (4)在外植体接种之前，
9、应对外植体进行灭菌，以避免外植体表面的微生物造成实验失败。() 提示：在外植体接种之前，应对外植体进行消毒而非灭菌。 典型例题 (2020 广西南宁三中高二期末)下列关于植物组织培养的叙述，错误的是( ) A.植物的组织培养需要在无菌和人工控制的条件下进行 B.该过程需要的培养基由有机营养、无机营养、激素和琼脂组成 C.用酒精和次氯酸钠分别处理离体植物组织后均需要自来水清洗 D.植物组织培养技术的理论基础是植物细胞具有全能性 解析 植物组织培养需要在人工控制的条件下，在无菌环境下进行，A 正确；植物组织培养中固体培养基成分有无机营养成分、有机营养成分、激素、琼脂等，B 正确；植物组织培养时，需
10、对外植体进行消毒，即先用酒精进行处理，然后立即用无菌水清洗 23 次；再用次氯酸钠溶液处理后立即用无菌水清洗 23 次，C 错误；植物组织培养技术的原理是细胞的全能性，D 正确。 答案 C 变式训练 (2020 海南中学高二期末)某兴趣小组拟用组织培养繁殖一种名贵花卉，其技术路线为 “取材消毒愈伤组织培养出芽生根移栽” 。 下列有关叙述，错误的是( ) A.消毒的原则是既杀死材料表面的微生物，又减少消毒剂对细胞的伤害 B.愈伤组织是由外植体脱分化形成的，其分化程度通常比外植体要高 C.出芽是细胞再分化的结果，受基因选择性表达的调控 D.生根时，培养基通常应含 萘乙酸等生长素类调节剂 解析 植物
11、组织培养中要求无菌操作，以防止细菌感染，消毒时既要杀死材料表面的微生物，又要尽量减少消毒剂对细胞的伤害，A 正确；出芽是细胞再分化的结果，分化的实质是基因的选择性表达，受基因选择性表达的调控，C 正确；在诱导生根的过程中，需要生长素和细胞分裂素的共同作用，生长素与细胞分裂素比值高时，有利于根的分化，因此生根时，培养基中会含有 萘乙酸等生长素类调节剂，D 正确；愈伤组织是未分化细胞，而外植体通常是高度分化的细胞，外植体的分化程度通常比愈伤组织高，B 错误。 答案 B 联想质疑 菊花的组织培养，一般选择未开花植株的茎上部新萌生的侧枝。 1.菊花组织培养过程中，诱导外植体脱分化形成愈伤组织的培养基，
12、其成分中是否应含有蔗糖等有机物？为什么？ 提示：含有；因为此时外植体不能进行光合作用制造有机物，需要依赖于环境中的有机物才能生存。 2.菊花组织培养中，前后三次用到的培养基其功能分别是什么？ 提示：第一次：诱导外植体脱分化形成愈伤组织；第二次：诱导愈伤组织生芽；第三次：诱导愈伤组织生根。 , 植物体细胞杂交技术 自主梳理 (1)植物体细胞杂交就是利用一定的方法将去除细胞壁的不同来源的植物细胞融合为杂种细胞的过程。() 提示： 植物体细胞杂交包括原生质体制备、 原生质体融合和植物组织培养等过程。 (2)杂种细胞培育成一个完整新植物体的过程，体现了植物细胞的全能性。() (3)经植物体细胞杂交技术
13、获得杂种植株的过程，发生了染色体数目变异。() (4)植物体细胞杂交技术打破了不同物种之间的生殖隔离，实现了远缘杂交。() 典型例题 (2020 山东等级考，13)两种远缘植物的细胞融合后会导致一方的染色体被排出。若其中一个细胞的染色体在融合前由于某种原因断裂，形成的染色体片段在细胞融合后可能不会被全部排出，未排出的染色体片段可以整合到另一个细胞的染色体上而留存在杂种细胞中。依据该原理，将普通小麦与耐盐性强的中间偃麦草进行体细胞杂交获得了耐盐小麦新品种，过程如下图所示。下列说法错误的是( ) A.过程需使用纤维素酶和果胶酶处理细胞 B.过程的目的是使中间偃麦草的染色体断裂 C.过程中常用灭活的
14、病毒诱导原生质体融合 D.耐盐小麦的染色体上整合了中间偃麦草的染色体片段 解析 由图可知，为去除植物细胞的细胞壁，获得原生质体的过程，该过程需用纤维素酶和果胶酶处理细胞，A 正确；由题干可知，两种远缘植物的细胞融合后会导致一方的染色体被排出，若其中一个细胞的染色体在融合前发生断裂，则形成的染色体片段在细胞融合后有的可能会存留在杂种细胞中，故为了使普通小麦获得中间偃麦草的耐盐性状，需要将中间偃麦草细胞中的染色体断裂，过程用不同剂量的紫外线照射的目的是断裂中间偃麦草的染色体，B 正确；图中过程为两种原生质体的融合，常用的融合手段为物理法和化学法，灭活的病毒通常用来融合动物细胞，C 错误；普通小麦不
15、具有耐盐性状，因此筛选出的耐盐小麦的染色体上整合了中间偃麦草的染色体片段，D 正确。 答案 C 变式训练 (2020 长安区一中高二期末)下图为甲种植物细胞和乙种植物细胞的结构(仅显示细胞核)，下列有关叙述错误的是( ) A.乙植物能产生 4 种不同类型的花粉 B.将甲、乙两种植物杂交得到的植物为二倍体，可育 C.用纤维素酶和果胶酶可以去除植物细胞的细胞壁 D.经植物体细胞杂交得到的植物为四倍体，基因型为 DdYyRr 解析 乙物种细胞具有 2 对分别位于 2 对同源染色体上的等位基因，该植物通过减数分裂能产生 YR、Yr、yR、yr 4 种不同类型的花粉；甲、乙是 2 个不同物种的植物， 甲
16、、 乙杂交得到的植物为异源二倍体， 减数分裂时由于染色体联会紊乱，不能产生精子和卵细胞，因此不可育；植物细胞细胞壁的主要成分为纤维素和果胶，用纤维素酶和果胶酶可去除植物细胞的细胞壁；甲、乙植物均为二倍体，经植物体细胞杂交(即两个体细胞融合)得到的细胞应含有四个染色体组，发育成的植物为四倍体，基因型为 DdYyRr。 答案 B 植物体细胞杂交后代的遗传变化 项目 体细胞杂交 P1：2n(Aabb)与 P2：2m(ccDd) 生殖类型 无性生殖、育种过程中不遵循孟德尔定律 变异类型 染色体数目变异 染色体数 两亲本染色体数之和，即 2n2m 染色体组数 两亲本染色体组数之和，即 22 基因组成 两
17、亲本基因型之和，即 AabbccDd 联想质疑 植物体细胞杂交流程 在植物体细胞杂交过程中，酶解法去除细胞壁、原生质体融合和植物组织培养三个阶段的主要原理分别是什么？ 提示：酶的专一性、细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。 植物体细胞杂交所得的植株是否可育取决于其同源染色体是否能正常联会。 番茄马铃薯植株的性状不如人意。 思维导图 晨读必背 1. 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，即细胞具有全能性。 2. 植物组织培养是指将离体的植物器官、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。 3. 植物体细胞杂交是指将不同来源
18、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。 4. 人工诱导原生质体融合的方法基本可以分为两大类物理法和化学法。物理法包括电融合法、离心法等；化学方法包括聚乙二醇(PEG)融合法、高 Ca2高 pH 融合法等。 随堂检测 1.(2020 合肥市高二期末)利用植物的花瓣就能培育出完整的植株，针对这一实例的解释错误的是( ) A.组成花瓣的细胞具有发育的全能性 B.因为花瓣细胞中有个体发育所需的全套遗传物质 C.利用花瓣培育出完整的植株涉及细胞分裂和细胞分化 D.在生物的生长发育过程中，细胞也能表现出全能性 解析 花瓣属于植物的体细胞，因其细胞中具有个体发育所需的全
19、套遗传物质，所以花瓣细胞具有发育的全能性，A、B 正确；生物的生长发育过程中，细胞不会表现出全能性，而是分化为各种组织和器官，由花瓣培育出完整植株，其前提是花瓣必须离体培养， 且处于适宜条件， 在培养过程中涉及细胞分裂和细胞分化，C 正确、D 错误。 答案 D 2.(2020 淮南一中高二期末)植物组织培养可以形成愈伤组织，下列有关愈伤组织的叙述错误的是( ) A.愈伤组织是离体细胞经过脱分化形成的 B.形成愈伤组织的培养基不含有机分子 C.愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构 D.愈伤组织细胞的线粒体和核糖体中可能发生碱基互补配对 解析 愈伤组织是离体细胞经过脱分化形成的，A 正确；形
20、成愈伤组织的培养基含有机分子，B 错误；愈伤组织经过再分化可以形成具有生根发芽能力的胚状结构，C 正确；线粒体中可进行 DNA 复制、转录和翻译，核糖体中可进行翻译，故愈伤组织细胞的线粒体和核糖体中可能发生碱基互补配对，D 正确。 答案 B 3.(2020 山东高二期末)如图为通过矮牵牛原生质体形成再生植株的过程，有关叙述错误的是( ) A.过程用纤维素酶和果胶酶获得原生质体 B.过程是基因选择性表达的结果 C.过程需用秋水仙素处理诱导细胞壁再生 D.原生质体无细胞壁但仍保持细胞的全能性 解析 过程用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁获得原生质体，A 正确；过程是脱分化过程，存在基因选择性表达，B 正
21、确；过程再生细胞壁不需要秋水仙素诱导，C 错误；原生质体无细胞壁但仍具有该生物全套的遗传物质，因此仍保持细胞的全能性，D 正确。 答案 C 4.(2020 南阳一中高二月考)植物体细胞杂交尚未解决的问题是( ) A.去除细胞壁，分离出有活力的原生质体 B.将杂种细胞培育成植株 C.让杂种植物按照人们的需要表现亲代的优良性状 D.尚未培育出属间杂种植物 解析 目前植物体细胞杂交产生的杂种植株并没有完全表现出人们所需要的性状。 答案 C 5.(2020 邵阳一中高二期末) 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
22、用植物。请回答下列问题： (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_。 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
23、物组织培养的主要过程：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，也就是存在着生殖隔离。但植物甲、乙通过植物体细胞杂交技术产生的后代却是可育的，因为在减数分裂过程中同源染色体能完成正常的联会，产生正常的配子。由于甲、乙都是二倍体，因此，植物体细胞杂交得到的后代是异源多倍体(四倍体)。 答案 (1)纤维素 果胶 原生质体 愈伤 再分化 植物体细胞杂交技术 (2)由受精卵发育而来，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
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