高中生物选修3精品学案211 植物细胞工程的基本技术.docx
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高中生物选修3精品学案211植物细胞工程的基本技术
2.1 植物细胞工程
2.1.1 植物细胞工程的基本技术
[学习目标] 1.简述植物组织培养技术的原理和过程。
2.描述植物体细胞杂交技术的原理和过程。
[核心素养] 1.科学探究:
结合具体实例,尝试设计植物组织培养的流程简图。
2.科学思维:
了解组织培养的进展和尚待解决的问题,认同科学是一个不断发展的过程。
一、细胞工程和细胞的全能性
1.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
按照人的意愿来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
2.细胞的全能性
(1)定义:
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)植物细胞表现全能性的条件
①离体状态。
②营养物质:
种类齐全、比例合适。
③植物激素:
主要是生长素、细胞分裂素。
④外界条件:
适宜的温度、pH和光照等。
⑤无菌操作。
归纳总结
1.植物细胞具有全能性的原因
植物高度分化的细胞仍含有该物种的全部遗传信息,具有发育成完整个体所需要的全套基因。
2.细胞全能性大小的分析
(1)体细胞全能性与细胞分化程度:
分化程度低的>分化程度高的。
(2)体细胞全能性与细胞分裂能力:
分裂能力强的>分裂能力弱的。
(3)不同类型细胞的全能性:
受精卵>生殖细胞>体细胞。
(4)不同生物细胞的全能性:
植物细胞>动物细胞。
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;种子是植物的器官,由种子发育成植株,是正常的生命历程,不属于全能性;细胞全能性表达的前提是离体培养的细胞、组织或器官。
2.以下实例不能体现细胞全能性的是( )
A.用胡萝卜韧皮部细胞培育出植株
B.用马铃薯块茎繁殖马铃薯植株
C.用转入抗虫基因的棉花细胞培育出植株
D.番茄与马铃薯体细胞杂交后培育出植株
[答案] B
[解析] 细胞的全能性是指具有某种生物全部遗传信息的细胞都具有发育成完整生物体的潜能。
能体现细胞全能性的最好实例是植物组织培养,即离体的植物器官、组织或细胞经过脱分化和再分化,最终能形成一个完整的植株,故A、C、D三项所述都能体现细胞的全能性。
用马铃薯块茎繁殖属于营养繁殖,没有体现细胞的全能性,故选B。
生命观念 植物全能性体现的判断依据
(1)判断一个发育过程是否体现了植物细胞的全能性,要抓住起点和终点:
起点必须是分化的细胞,终点必须是完整的个体。
(2)细胞分化形成某种组织或者器官不是全能性的体现,因为没有形成完整个体。
(3)植物的种子发育成完整植株,不能体现细胞的全能性。
因为种子中的胚已完成了早期发育,相当于新植物的幼体,而没有体现出细胞具有发育成完整植物体的潜能。
二、植物组织培养技术
1.植物组织培养的概念分析
(1)理论基础:
植物细胞的全能性。
(2)前提:
离体的植物器官、组织、细胞。
(3)条件:
无菌和人工控制条件下、人工配制的培养基上、适宜的培养条件。
(4)结果:
脱分化形成愈伤组织,再诱导其再分化生成胚状体或丛芽,最终形成完整的植株。
归纳总结 植物组织培养的一般过程
(1)外植体:
用于植物组织培养的离体的植物器官、组织或细胞。
(2)脱分化:
已经分化的细胞,经过诱导,失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。
(3)愈伤组织:
细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、呈无定形状态的薄壁细胞团。
(4)再分化:
脱分化产生的愈伤组织继续进行培养,又可以重新分化出根或芽等器官的过程。
2.胡萝卜的组织培养过程
─
↓
─
↓
─
↓
─将试管苗移栽到大田,培养成正常植株
归纳总结 植物组织培养技术的注意事项
(1)外植体的选择:
外植体脱分化的难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而不同。
一般来说,植物的花和幼嫩的组织脱分化相对比较容易,而植物的茎、叶和成熟的组织较难。
(2)无菌操作:
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,接种过程要进行严格的无菌操作。
(3)光照的控制:
对于植物组织培养来说,光照条件非常重要。
在愈伤组织的诱导阶段往往要避光培养,有利于细胞脱分化产生愈伤组织(如果是在光照条件下,容易分化产生维管等组织,不利于产生大量的愈伤组织)。
当愈伤组织分化出芽和叶时,一定要有光照,有利于叶片内叶绿素的合成。
(4)植物激素在组织培养中的作用
生长素/细胞分裂素的比值
作用效果
比值高时
促进根的分化、抑制芽的形成
比值低时
促进芽的分化、抑制根的形成
比值适中
促进愈伤组织的形成
3.用高度分化的植物细胞、组织和器官进行组织培养可以形成愈伤组织,下列叙述错误的是( )
A.该愈伤组织是细胞经过脱分化和分裂形成的
B.该愈伤组织的细胞没有全能性
C.该愈伤组织是由排列疏松的薄壁细胞组成的
D.该愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构
[答案] B
[解析] 植物组织培养的原理是植物细胞的全能性。
植物细胞只有在脱离了植物体、并在一定的外部因素的作用下,经细胞分裂形成愈伤组织,才能表现出全能性,再由愈伤组织细胞发育、分化形成新的植物体。
4.下图表示胡萝卜的韧皮部细胞通过无菌操作接种到试管培养基上后,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________进行灭菌处理。
B阶段需要光照,原因是____________________________________________________________________。
(4)试管苗的根细胞没有叶绿素,而叶的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)植物细胞的全能性 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] 植物组织培养是用离体的植物组织、器官或细胞接种到经消毒灭菌的培养基中,培养基含有供组织细胞生长发育所需要的无机物和小分子有机物,还有调节细胞脱分化和再分化的细胞分裂素和生长素。
由外植体发育成试管苗,脱分化阶段细胞进行有丝分裂,再分化阶段愈伤组织细胞经有丝分裂和细胞分化形成试管苗,此阶段需要光照,原因是叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件。
三、植物体细胞杂交技术
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,并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。
2.过程
(1)去壁:
用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁,获得原生质体。
(2)诱导原生质体融合的方法
①物理法:
离心、振动、电激等。
②化学法:
用聚乙二醇(PEG)诱导。
易混辨析 区分植物组织培养与植物体细胞杂交
(1)植物组织培养是利用单一亲本的器官、组织或细胞,经培养使之增殖、分化成为一个完整植株,为无性生殖过程,因此其后代一般均能保持该亲本的遗传特性。
(2)植物体细胞杂交的本质是将两种不同来源的原生质体,在人为条件下进行诱导融合。
由于植物细胞具有全能性,融合之后的杂种细胞可以再生出具有双亲性状的杂种植株。
3.植物体细胞杂交的原理
原生质体融合的过程利用了细胞膜的流动性,杂种细胞发育成杂种植株利用了植物细胞的全能性。
4.意义:
克服了不同生物远缘杂交不亲和的障碍。
归纳总结 关于植物体细胞杂交的几点提醒
(1)植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖且浓度略大于植物细胞质浓度,不仅为原生质体提供营养,而且还能维持一定的渗透压,使原生质体保持正常的形态。
(2)体细胞融合后培养基中共有5种细胞类型(A、B、AA、BB、AB),其中融合细胞类型有3种(AA、BB、AB),而真正符合要求的是AB,因此要对融合细胞进行筛选(注:
不考虑三个或三个以上细胞的融合)。
(3)杂交植株不一定按照人们的设计意愿表达出优良性状,主要原因是生物基因的表达不是孤立的,它们之间是相互调控、相互影响的,所以杂交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受到相互干扰,不一定能表达出各自的优良性状。
5.下图为“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细胞需要用胰蛋白酶和果胶酶处理
B.诱导a、b细胞融合的化学试剂一般为秋水仙素
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为聚乙二醇;d、e分别为脱分化和再分化过程。
6.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
[答案] B
[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、yr4种不同类型的花粉;甲、乙是2个不同物种的植物,甲、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。
方法技巧 与植物体细胞杂交技术有关的遗传知识
(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,形成的是异源多倍体,由于含有两个亲本的遗传物质,因此理论上应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是两亲本之和。
若一植物细胞含有2x条染色体,2个染色体组,基因型为Aabb,另一植物细胞含有2y条染色体,2个染色体组,基因型为ccDd,则新植株应为异源四倍体,其体细胞中染色体为(2x+2y)条,4个染色体组,基因型为AabbccDd。
(3)培育新品种的过程中,遗传物质的传递不遵循孟德尔的遗传定律,只有在有性生殖进行减数分裂过程中才符合遗传定律,而体细胞杂交没有此过程。
1.判断正误:
(1)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属于脱分化( )
(2)植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种细胞( )
(3)植物体细胞杂交利用了植物组织培养技术( )
(4)植物原生质体融合的原理是植物细胞的全能性( )
[答案]
(1)×
(2)× (3)√ (4)×
2.如图为植物组织培养过程,下列有关说法不正确的是( )
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子
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,但不一定是纯合子。
3.(2019·陕西黄陵中学高二期中)植物细胞表现出全能性的必要条件和增殖方式是( )
A.脱离母体后,给予适宜的营养和外界条件;减数分裂
B.导入其他植物细胞的基因;有丝分裂
C.将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内;减数分裂
D.脱离母体后,给予适宜的营养和外界条件;有丝分裂
[答案] D
[解析] 植物细胞表现全能性的条件:
①细胞离体和适宜的外界条件;②一定的营养(无机、有机成分)和植物激素等。
植物细胞经组织培养形成植物体的过程,包括脱分化和再分化两个重要的步骤,在这两个过程中细胞都是通过有丝分裂方式进行增殖的,故选D。
4.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
[答案] C
[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。
5.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。
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______________。
[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)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
[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(物理方法:
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:
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)。
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