人教版选修3 2.1.1 植物细胞工程的基本技术 学案.docVIP

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.以胡萝卜的组织培养为例，简述植物组织培养技术的原理和过程。2.结合教材图25，描述植物体细胞杂交技术的原理和过程。重难点击1.植物组织培养技术的原理和过程。2.植物体细胞杂交技术的原理和过程。课堂导入方式一：“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？这些基本技术的一般操作程序是怎样的？让我们通过本节来学习探讨吧！方式二：山东省金乡县是全国闻名的大蒜之乡。该县农科所与中国农科院联合成功开发和培育出的品质好、产量高的新品种脱毒大蒜，是植物细胞工程的又一成果。什么是细胞工程？细胞工程是如何发展起来的？包括哪些基本技术？在哪些方面得到了应用？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)表达时两个重要的过程脱分化：让已经分化的细胞，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的过程。再分化：脱分化产生的愈伤组织在一定的培养条件下，再分化出幼根和芽，形成完整的小植株。合作探究1.理论上每种植物的活细胞都具有全能性，原因是什么？答案正常的植物细胞具有发育成该物种个体所需的全部遗传物质。2.配子(卵和精子)中染色体数比正常体细胞减少了一半，配子是否还有全能性？为什么？答案有。因为体细胞中染色体成对存在，配子染色体数虽减半，但仍含有完整的染色体组，具有控制生物性状的全部基因。3.分析实例是否体现了细胞的全能性并给出原因。(1)植物花药离体培养获得植株。答案是。花药离体培养获得单倍体植株，体现了花药细胞的全能性。(2)利用植物细胞培养技术生产紫草素。答案否。发育成完整生物个体才能体现细胞的全能性，而生产紫草素只是将紫草细胞培养成愈伤组织。(3)紫色糯性玉米种子培育成植株。答案否。种子的胚已是新植物的幼体，发育成完整植株的过程，相当于植物长大。1.判断正误(1)植物体的细胞发育成完整个体才体现了全能性()(2)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()(3)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()(4)随着细胞的生长，细胞的全能性越来越强()答案(1)(2)(3)(4)2.植物细胞的全能性是指()a.具有核、膜、质，细胞结构完整，能进行各种生理活动b.只具有膜和质，同样能进行各种生理活动c.植物体细胞所具有的发育成完整个体的潜能d.具有本物种全套遗传物质的特定细胞答案c解析具有某种植物全套遗传信息的任何一个细胞，都有发育成完整新植物体的潜能，也就是说，每个植物细胞都具有全能性。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。二、植物组织培养技术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、适宜的营养条件。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，最终形成完整植株。5.胡萝卜的组织培养过程合作探究1.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？答案避免杂菌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。2.为什么切取胡萝卜根的形成层？其他部分也能培养成小植株吗？答案胡萝卜根的形成层容易诱导形成愈伤组织，其他部分如叶、花也能培养成小植株，只是稍微困难些。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。5.植物组织培养所用的培养基中，在脱分化和再分化过程中起关键作用的激素是什么？答案生长素和细胞分裂素。3.判断正误(1)植物组织培养的培养基中添加蔗糖的目的是提供营养和调节渗透压()(2)胡萝卜的组织培养只能选择韧皮部部分，其他部分如茎、叶则不能用于组织培养()(3)同一植物的不同体细胞经植物组织培养产生的植株基因不同()(4)生物体内的细胞分化和植物组织培养过程中的再分化的实质是一样的，都是基因在特定时间和空间条件下选择性表达的结果()答案(1)(2)(3)(4)4.下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，相关叙述中正确的是()a.和阶段会发生减数分裂b.阶段需生长素而阶段需细胞分裂素c.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问题导析(1)图中是脱分化，、是再分化。和阶段会发生有丝分裂。(2)阶段和阶段都需生长素和细胞分裂素，只是二者比例不同。(3)此兰花的花药离体培养所得植株为单倍体。答案c植物组织培养中的五点注意事项(1)取材：植物组织培养时应该选择幼嫩的植物组织，如根尖、茎尖、形成层细胞等，易于脱分化。(2)无菌：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，接种过程进行严格的无菌操作。(3)营养比：培养基中必须含有植物生长发育所需要的全部营养物质，其中生长素和细胞分裂素用量的比例对器官的生成起决定作用。(4)光照时期：脱分化产生愈伤组织时需要避光培养，愈伤组织再分化时需要在光照条件下培养。(5)培养顺序：要先进行生芽培养，再进行生根培养，试管苗培养要在光照条件下进行。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物理法：离心、振动、电激等。化学法：用聚乙二醇(peg)诱导。3.意义：克服了不同生物远缘杂交不亲和的障碍。合作探究1.去除植物细胞壁为什么要用纤维素酶和果胶酶？答案因为植物细胞壁的化学成分主要是纤维素和果胶；酶具有专一性，纤维素酶和果胶酶能够催化分解细胞壁，而对细胞膜没有破坏作用。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，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？答案三种。ab才是符合要求的。3.回答下列关于植物体细胞杂交产生的“白菜甘蓝”的相关问题：(1)用传统的杂交方法可否产生“白菜甘蓝”？答案不能，因为不同物种之间存在生殖隔离。(2)“白菜甘蓝”为什么能表现出两种植物的遗传性状？答案体细胞杂交培育而成的“白菜甘蓝”具有两个亲本的遗传物质，因此能表现出两种植物的遗传性状。(3)融合成的杂种细胞内染色体组成有何特点？答案植物体细胞杂交后，染色体组数是两个物种的总和，形成异源多倍体。因为细胞内每条染色体仍然有其同源染色体，因此从理论上讲均是可育的，但育性会降低。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？答案克服植物远缘杂交不亲合的障碍，打破了物种之间的生殖隔离。5.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”。请依据材料分析回答下列问题：(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)图中步骤所示为用_除去植物细胞细胞壁，分离出有活力的原生质体。(3)图中过程细胞融合时，可出现_种融合细胞(只考虑细胞两两融合的情况)，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_和_过程。其中过程必须给予光照，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_得到单倍体植株，然后取单倍体植株细胞进行体细胞杂交，再用_处理之后也可得到可育的“番茄马铃薯”杂种植株。问题导析(1)植物体细胞杂交要应用植物组织培养技术才能得到杂种植株，其理论基础是植物细胞的全能性。(2)细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，因此用纤维素酶和果胶酶可以特异性地去除细胞壁。(3)甲、乙两种细胞融合时，可能会出现三种情况：甲、甲融合，乙、乙融合，甲、乙融合，其中甲、乙融合类型的细胞才是最终需要的杂种细胞；植物组织培养过程中需要的激素主要有两种：生长素和细胞分裂素。(4)杂种细胞经脱分化和再分化过程形成完整植株，愈伤组织再分化成幼苗时需要光照合成叶绿素以进行光合作用。(5)利用花药离体培养得到的二倍体的单倍体植株一般不可育，需用秋水仙素处理使染色体加倍才可育。答案(1)植物组织培养植物细胞的全能性(2)纤维素酶和果胶酶(3)3细胞分裂素生长素(4)脱分化再分化叶绿体(5)花药离体培养秋水仙素一题多变依据上图判断：(1)植物体细胞杂交的最大优点是可以克服远缘杂交不亲和的障碍()(2)杂种细胞经过和过程可以培育成杂种植株说明杂种细胞具有全能性()(3)尽管愈伤组织可以进行光合作用，但其培养基中仍需要糖类、氨基酸等有机营养()(4)若马铃薯的基因型为rr，番茄的基因型为yy，则最终形成的杂种植株的基因型为rryy()(5)杂种细胞形成的标志是杂种细胞再生出细胞壁，在此过程中活跃的细胞器是核糖体()答案(1)(2)(3)(4)(5)1.下列哪种细胞的全能性最容易得到表达()a.青蛙的皮肤细胞b.胡萝卜的韧皮部细胞c.小白鼠的肝脏细胞d.人皮肤的生发层细胞答案b解析细胞分化程度越高，全能性越低，皮肤细胞和生发层细胞是高度分化的细胞，全能性较低。动物细胞实现全能性的能力比植物细胞低，所以全能性最高的细胞是胡萝卜的韧皮部细胞。2.如图为植物组织培养过程，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.ab的过程不需要光照d.ad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培育而成的，植株的基因型相同，但不一定是纯合子。3.1858年，美国科学家斯图尔德应用植物组织培养技术，将二倍体胡萝卜韧皮部的一些细胞进行离体培养，最终发育成完整的新植株。下列关于这一科学事实的叙述中，错误的是()该实验证明了植物细胞具有全能性此种生殖产生的后代有广泛的变异韧皮部细胞通过减数分裂增加数目此种生殖产生的后代能保持亲本的性状a.b.c.d.答案b解析体细胞组织培养属于无性生殖，其后代能保持亲本的性状，变异性小；体细胞不能进行减数分裂。4.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生殖答案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生殖，获得植株丁的过程为无性生殖。5.科学家利用细胞工程培育了“白菜甘蓝”杂种植株，如图所示，请据图回答下列问题：(1)由d形成f过程所依据的原理是_，从本质上讲，“白菜甘蓝”杂种植株具有的性状是_的结果。(2)若“白菜甘蓝”杂种植株为四倍体，则该植株的花粉经离体培养得到的植株是_倍体。(3)“白菜甘蓝”杂种植株的食用部分是叶，但叶又易受昆虫危害而影响产量，科学家又利用基因工程培育出带有抗虫基因的“白菜甘蓝”植株，请你设计实验，检测此植株的抗虫基因是否表达。取昆虫幼虫放到带有抗虫基因的“白菜甘蓝”植株甲上，再取等量生活状态基本一致的昆虫幼虫放在_植株乙上。适宜条件下培养一段时间后，分别观察_的生活情况。若_，说明甲植株的抗虫基因未得到表达；若_，说明甲植株的抗虫基因得到表达。答案(1)细胞的全能性基因选择性表达(2)单(3)长势相似的普通“白菜甘蓝”昆虫幼虫甲、乙植株上昆虫幼虫均正常生活甲植株上昆虫幼虫死亡，乙植株上昆虫幼虫正常生活(、其他答案合理即可)解析(1)df的过程说明细胞具有全能性，杂种植株具有的性状是基因选择性表达的结果。(2)凡是由未受精的配子发育而成的个体都是单倍体。(3)应注意实验设计的对照原则、等量原则及单一变量原则。基础过关1.生物体内的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。2.下列有关细胞全能性的叙述，不正确的是()a.受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体，因此全能性最高b.生物体内细胞由于分化，全能性不能表达c.卵细胞与受精卵一样，细胞未分化，全能性很高d.植物细胞在一定条件下离体培养能表现出全能性答案c解析卵细胞是高度分化的细胞，并不是未分化的细胞。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.下列属于组织培养的是()a.花粉培养成单倍体植株b.植物的枝条插到土里发育成新的个体c.根尖分生区发育成成熟区d.未受精的卵发育成个体答案a解析b项不是在无菌和人工控制条件下发育的，是在正常环境下，所以仍属于自然发育过程；c项是通过细胞分化形成组织的过程；d项中未受精的卵发育成个体在自然条件下也可发生，属于有性生殖。5.植物组织培养依据的原理、方法步骤及诱导的植物激素分别是()细胞的全能性离体的植物器官、组织或细胞根、芽生长素和细胞分裂素生长素和乙烯愈伤组织再分化脱分化植物体a.、b.、c.、d.、答案b解析植物组织培养的原理是细胞的全能性；方法步骤是离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织，愈伤组织再分化得到根、芽，由根、芽分化成植物体；所用激素是生长素和细胞分裂素。6.下列有关植物细胞全能性的叙述，正确的是()a.植物体只有高度分化的体细胞才具有发育成完整个体的潜能b.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c.植物细胞的全能性是植物体细胞杂交技术的理论基础d.高度分化的植物细胞随时可能表现出全能性答案c解析植物细胞的全能性是指高度分化的植物细胞仍然具有发育成完整植物体的潜能，实际上只要植物细胞含有本物种生长发育的全套基因就应具有全能性，如配子；植物体内所有体细胞均来源于同一受精卵的有丝分裂，遗传物质应相同；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。7.下图表示基因型为aabb的水稻的花药通过无菌操作，接入试管后，在一定条件下形成试管苗的培育过程。下列相关叙述错误的是()a.愈伤组织是花粉细胞通过有丝分裂后形成的不规则的细胞团b.在愈伤组织的形成过程中，必须从培养基中获得水、无机盐和小分子的有机物等营养物质c.为促进花粉细胞分裂生长，在培养基中应加入适宜浓度的生长素等激素d.试管苗可能出现的基因型有aabb或aabb或aabb或aabb答案d解析花粉是通过减数分裂形成的，其基因型为ab或ab或ab或ab，由花粉发育而来的个体未经秋水仙素处理，是单倍体。8.下图所示为植物体细胞杂交技术的过程，下列相关叙述错误的是()a.a细胞和b细胞诱导融合前要先去除细胞壁，可用纤维素酶和果胶酶处理b.从a细胞和b细胞到c细胞的过程中，常用离心、振动、电激或聚乙二醇(peg)诱导融合c.a细胞和b细胞融合完成的标志是再生出新的细胞壁d.植物体细胞杂交的目的是获得杂种细胞答案d解析植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，因此细胞融合前需先用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁；诱导植物细胞融合时常用物理法(离心、振动、电激等)或化学法(聚乙二醇)；融合完成的标志是再生出新的细胞壁；植物体细胞杂交的目的是获得杂种植株。能力提升9.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。10.下图是“白菜甘蓝”杂种植株的培育过程。下列说法正确的是()a.植物体细胞杂交技术已经能使杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性状b.愈伤组织是由排列紧密的薄壁细胞组成c.上述过程中包含了有丝分裂、细胞分化和减数分裂等过程d.“白菜甘蓝”杂种植株具有的性状是基因选择性表达的结果答案d解析植物体细胞杂交技术还不能使杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性状；愈伤组织是由排列疏松的薄壁细胞组成的；在“白菜甘蓝”杂种植株幼苗的培育过程中有细胞的有丝分裂和细胞分化，但不进行减数分裂。11.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)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。12.下图表示植物分化、脱分化和再分化过程及其关系。试回答相关问题：(1)离体的高度分化的细胞要顺利完成脱分化，除了需要各种无机营养物质外，还需要在培养基中加入_、_(两类物质功能不同)，脱分化形成的愈伤组织细胞与正常体细胞相比，前者在结构方面的特点是_。(2)图中“单倍体性细胞”主要指的是_，是正常植物体经_形成的，在这一过程中的染色体如何变化？_。(3)从分化、脱分化和再分化的结果看，它们的实质都是_。(4)以上两种培育植株的方法得到的完整植株相同吗？_。哪种方法更容易实现？_。答案(1)有机营养物质(蔗糖、维生素、氨基酸等)植物激素(生长素、细胞分裂素)高度液泡化、无定形、细胞壁薄(2)花粉(细胞)减数分裂染色体复制一次，平分两次，子细胞中染色体数目是亲代细胞的一半(3)基因的选择性表达(4)不相同花药离体培养13.下图为植物体细胞杂交过程示意图。据图回答下列问题：(1)步骤是_，最常用的方法是_。(2)步骤一般常用的化学试剂是_，目的是_。(3)在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中，运用的技术手段是_，其中步骤相当于_，步骤相当于_。(4)原生质体融合的目的是获得_。远缘杂交的两个亲本的遗传特征能够在新的植物体上有所表现，其根本原因是_。(5)远缘杂交的亲本a和b都是二倍体，则杂种植株为_倍体。(6)从理论上讲，杂种植株的育性为_。若运用传统有性杂交方法能否实现？_，原因是_。(7)利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔的遗传规律？_。为什么？_。答案(1)去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体酶解法(2)peg(聚乙二醇