2.1-2.1.1植物细胞工程的基本技术

生物选修3（人教版）专题2细胞工程2.1植物细胞工程2．1.1植物细胞工程的基本技术[目标导航]1.了解细胞工程的含义。2.简述植物组织培养和植物体细胞杂交技术。3.理解植物细胞的全能性。一、细胞工程的含义原理和方法细胞生物学和分子生物学操作水平细胞水平或细胞器水平目的按照人的意愿改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品分类植物细胞工程和动物细胞工程二、植物细胞的全能性1．含义：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．脱分化：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成未分化细胞，进而形成愈伤组织。3．再分化：愈伤组织在一定的培养条件下，分化出根和芽，进而形成完整小植株。三、植物组织培养技术1．理论基础：植物细胞的全能性。2．实验：胡萝卜的组织培养。(1)原理。(2)过程。3．概念：在无菌和人工控制条件下，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，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。四、植物体细胞杂交1．概念：将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并将其培育成新的植物体的技术。2．过程。(1)制备原生质体：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。(2)诱导原生质体间的融合。①诱导方法：物理法[离心、振动、电激等]和化学法[用聚乙二醇(PEG)诱导]。②完成标志：杂种细胞再生出细胞壁。(3)植物组织培养：人工培养杂种细胞，得到杂种植株。3．意义：克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍。判断正误1．植物组织培养技术的原理是植物细胞的全能性。(√)2．植物组织培养的过程不需要在无菌条件下进行。(×)3．植物体细胞杂交与细胞膜的流动性无关。(×)4．只要将两个去壁的植物细胞放在一起就能发生融合。(×)5．细胞工程是利用细胞生物学和细胞器生物学进行研究的。(×)6．细胞工程是按照人的意愿来改变细胞的结构或获得细胞产品的一门科学。(×)要点一植物细胞的全能性与组织培养1．一个植物细胞能不能发育成一个个体？2．如果可以那么它需要什么条件？3．这种生物技术利用的原理是什么？归纳提升1．植物细胞的全能性(1)概念：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个体的潜能。(2)物质基础：生物体的每一个细胞都含有本物种所特有的全套遗传物质，都有发育成为完整个体所必需的全部基因。(3)细胞全能性表现的条件。①离体状态(未离体的细胞由于细胞的分化其全能性受到限制，不能表现)。②无菌操作(防止杂菌污染)。③适宜物质的诱导和调节(植物激素主要是生长素和细胞分裂素)。④种类齐全、比例适合的营养物质。⑤适宜的外界条件(如温度、pH、光照等)。(4)各种细胞全能性的比较。①应注意细胞的全能性与细胞的分化程度和分裂能力三者间的关系。一般来说，细胞的分化程度越高，其分裂能力越弱，其全能性越不容易表现出来。②受精卵＞生殖细胞＞体细胞。③体细胞中：植物细胞＞动物细胞(只有细胞核才有全能性，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；幼嫩的细胞＞衰老的细胞)。2．植物组织培养(1)原理：细胞的全能性。(2)过程：外植体――→脱分化愈伤组织――→再分化芽、根(或胚状体)―→植物体。(3)植物组织培养过程的几个概念、条件。①细胞分化：基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果。②脱分化的条件：离体、一定的营养物质、激素和其他外界条件(如无菌、适宜的温度等)。③影响植物细胞脱分化、再分化的关键因素是植物激素，特别是当细胞分裂素和生长素共同使用时，根据诱导的需求，对二者要按一定比例合理使用。④愈伤组织：排列疏松、无规则，高度液泡化的无定形状态的薄壁细胞。植物激素比值的控制诱导分化的重要激素是细胞分裂素和生长素。细胞分裂素与生长素的比值：小于1时：促进根的形成；大于1时：促进芽的形成；等于1时：愈伤组织不分化，继续形成新的愈伤组织。[典例❶](2017·海南卷)甲、乙两名同学分别以某种植物的绿色叶片和白色花瓣为材料，利用植物组织培养技术繁殖该植物。回答下列问题：(1)以该植物的绿色叶片和白色花瓣作为外植体，在一定条件下进行组织培养，均能获得试管苗，其原理是_________________________________________________________________________________________。(2)甲、乙同学在诱导愈伤组织所用的培养基中，均加入一定量的蔗糖，蔗糖水解后可得到________。若要用细胞作为材料进行培养获得幼苗，该细胞应具备的条件是________________(填“具有完整的细胞核”“具有叶绿体”或“已转入抗性基因”)。(3)图中A、B、C所示的是不同的培养结果，该不同结果的出现主要是由于培养基中两种激素用量的不同造成的，这两种激素是________________。A中的愈伤组织是叶肉细胞经________形成的。(4)若该种植物是一种杂合体的名贵花卉，要快速获得与原植株基因型和表现型都相同的该种花卉，可用组织培养方法繁殖，在培养时，________(填“能”或“不能”)采用经减数分裂得到的花粉粒作为外植体，原因是_________________________________________________________________________________________。解析：(1)植物组织培养的原理是植物细胞具有全能性。(2)蔗糖水解后可得到葡萄糖、果糖。用细胞作为材料进行培养获得幼苗，细胞必须具有完整细胞核，才具有发育为个体的一整套完整遗传信息。(3)影响植物组织培养的两种主要激素是细胞分裂素和生长素。愈伤组织是叶肉细胞经脱分化形成的。(4)由于花粉粒的基因型与体细胞的基因型不同，组织培养得到花卉的基因型不同于原植株，导致不能保留亲本性状。答案：(1)绿色叶片和白色花瓣的细胞具有全能性，在一定条件下能发育成完整的植株(2)葡萄糖、果糖具有完整的细胞核(3)细胞分裂素、生长素脱分化(4)不能对杂合体的植株来说，其体细胞的基因型相同，而花粉粒的基因型与体细胞的基因型不同。用花粉粒进行组织培养得到花卉的基因型不同于原植株。即时演练1．下列有关植物细胞全能性的叙述，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，A项错误；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，C项错误；种子发育成植株，是正常生命历程，未反映全能性，D项错误；植物细胞全能性的表达前提是离体培养的细胞、组织或器官，B项正确。答案：B2．我国植物学家将名贵兰花的茎尖细胞放进培养基中进行培养，最终发育成完整的新植株。下图是细胞培养形成兰花植株示意图，请据图回答：(1)过程③和④分别表示________和________。需要避光培养的是________(填数字)。整个过程中细胞的分裂方式是________。(2)取新生的茎尖细胞而不选择茎表皮细胞进行培养的两个理由是：①_________________________；②_________________________________________。(3)当________(填培养基种类)中生长素与细胞分裂素的比值偏________(填“大”“小”或“适中”)时，愈伤组织被诱导先生根。(4)若将兰花的茎尖细胞换成兰花的花粉粒，经组织培养形成植株，这种育种方法称为________，其突出优点是________________。答案：(1)脱分化再分化③有丝分裂(2)①茎尖细胞全能性高②新生细胞无菌无毒(3)分化培养基大(4)单倍体育种明显缩短育种年限要点二植物体细胞杂交技术1．不同种的植物间存在生殖隔离，怎样才能使不同种生物的优良性状集中在一个个体上？2．植物体细胞杂交技术的原理是什么？归纳提升1．原理细胞膜的流动性(原生质体的融合)、植物细胞的全能性(杂种细胞培养到杂种植株)。2．操作过程步骤图解做法原生质体的获得酶解法(纤维素酶、果胶酶)去除细胞壁，得到原生质体杂种细胞的形成通过一定的技术手段(电激、聚乙二醇诱导等)进行人工诱导，实现原生质体的融合杂种植株的产生对杂种细胞，用植物组织培养的方法进行培育3.杂种植株遗传物质的变化(1)细胞融合属于染色体变异，杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和。(2)染色体组数通常也是两亲本细胞染色体组数目之和，形成异源多倍体。4．植物体细胞杂交育种的优点和局限性(1)优点：克服远缘杂交不亲和的障碍。(2)局限性：目前仍有许多理论和技术问题未解决，还不能让杂种植物按照人们的需求表现出亲代的优良性状。(1)体细胞融合成功以后，既有同种细胞的融合细胞，也有异种细胞的融合细胞，因此在融合细胞形成后还应有一个筛选过程。(2)细胞融合的标志是产生新的细胞壁。(3)植物体细胞杂交完成的标志是获得杂种植株而不是杂种细胞。【典例2】以下为植物体细胞杂交技术流程图，其中甲和乙分别表示两种二倍体植物细胞，所含有的染色体组分别是AA和BB。据图分析回答：(1)①过程所用物质为_________________________。(2)将若干a和b等量混合后转移到培养基上培养，再经过②和③，c的细胞类型有_______________(不考虑3个或3个以上的细胞融合)。(3)在采用化学法进行过程②时，一般是用________作为诱导剂。(4)植物体细胞杂交与自然状况下的生殖细胞杂交相比，前者的主要意义是____________________________。(5)上述培育新植株的方法所包括的技术手段有________________________________________________。解析：(1)①是去除植物细胞壁的过程，所用的物质为纤维素酶和果胶酶。(2)将若干a和b等量混合后转移到培养基上培养，经过细胞融合，c的细胞类型包括没有融合的细胞、相同细胞的融合和不同细胞融合，即AA、BB、AAAA、BBBB、AABB。(3)在采用化学法进行过程②时，一般是用聚乙二醇(PEG)作为诱导剂。(4)植物体细胞杂交的主要意义是克服了不同生物间远缘杂交不亲和的障碍。(5)植物体细胞杂交过程首先进行细胞融合，融合形成杂种细胞后再经过植物组织培养技术形成杂种植株。答案：(1)纤维素酶和果胶酶(2)AA、BB、AAAA、BBBB、AABB(3)聚乙二醇(PEG)(4)克服了不同生物间远缘杂交不亲和的障碍(5)细胞融合、植物组织培养即时演练3．利用体细胞杂交技术获得了“番茄—马铃薯”杂种植株，实验过程如下图所示，遗憾的是该杂种植株并非是想象中的地上长番茄，地下结马铃薯的“超级作物”。(1)材料中所用到的植物体细胞杂交技术应用到原生质体融合和____________________技术，该技术的理论基础是________________________________________________________________________________________。(2)图中①步骤所示植物细胞用________________除去细胞壁，分离出有活力的原生质体。(3)图中②过程细胞两两融合时，可出现________种融合细胞，要促进杂种细胞分裂生长，培养基中应有________________和__________两类激素。(4)由杂种细胞培育成试管苗，需要经过细胞的④______和⑤________过程。其中⑤过程必须给予光照，其原因是________能利用光能制造有机物，供试管苗生长发育。(5)利用马铃薯和番茄的__________________得到单倍体