新教材同步备课2024春高中生物第2章细胞工程第1节第1课时植物细胞工程的基本技术课件新人教版选择性必修3

第1节植物细胞工程第1课时植物细胞工程的基本技术目标素养1.概述植物细胞全能性的概念、原因及其表现条件,形成结构与功能相适应的观点。2.运用归纳与概括的方法,总结植物组织培养技术的操作过程、原理、条件,并比较脱分化和再分化的异同。3.通过“菊花的组织培养”实践活动,培养实践和创新能力。4.概述植物体细胞杂交技术的过程、原理、意义,认同植物体细胞杂交技术具有重要的应用价值。知识概览一、细胞工程原理和方法细胞生物学、分子生物学和发育生物学操作水平细胞器、细胞或组织水平目的获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品二、细胞的全能性1.概念: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.生长发育过程中细胞没有表现全能性的原因:在特定的时间和空间条件下,细胞中的基因会选择性地表达。三、植物组织培养技术1.原理:植物细胞的全能性。2.概念。(1)对象:离体的植物器官、组织或细胞等。(2)场所:人工配制的培养基。(3)结果:形成完整植株。3.流程。(1)①脱分化:在一定的激素和营养等条件的诱导下,已经分化的细胞可以经过脱分化,即失去其特有的结构和功能,转变成未分化的细胞,进而形成愈伤组织的过程。(2)愈伤组织:脱分化产生的不定形的薄壁组织团块。(3)②再分化:愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。(4)激素: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,它们的浓度、比例等都会影响植物细胞的发育方向。4.菊花的组织培养

微思考1诱导愈伤组织期间一般不需要光照,在后续的培养过程中为什么需要提供适宜的光照?提示:叶绿素的合成需要光照。微判断11.愈伤组织是外植体通过脱分化和再分化形成的。(

)2.培养瓶用专业封口膜封口可防止外界杂菌侵入并阻止瓶内外的气体交换。(

)××四、植物体细胞杂交技术1.概念:植物体细胞杂交是指将不同来源的植物体细胞,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。2.操作流程、步骤。

3.意义:植物体细胞杂交技术在打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,培育植物新品种等方面展示出独特的优势。微点拨

植物细胞融合完成的标志是再生出新的细胞壁;植物体细胞杂交完成的标志是培育出杂种植株,而不是形成杂种细胞。微思考2从结果看,杂种植株遗传物质的来源有何特点?从杂种植株的染色体组成看,属于何种变异?提示:杂种植株的遗传物质来自两个亲本。杂种植株的染色体数目增加,属于染色体数目变异。微判断21.用纤维素酶和果胶酶水解法获得的植物原生质体失去了全能性。(

)2.利用植物体细胞杂交技术获得的杂种植株都能表现双亲的优良性状。(

)××微训练

下图所示为植物体细胞杂交技术的部分过程,下列叙述错误的是(

)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、电融合或聚乙二醇(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.植物体细胞杂交技术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或化学法;植物细胞融合完成的标志是再生出新的细胞壁;植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种植株。一

细胞的全能性问题探究1958年,科学家斯图尔德利用植物组织培养技术将胡萝卜韧皮部的一些细胞进行离体培养,最终培育出了完整的新植株。这一科学实验证明了植物细胞具有全能性。(1)上述胡萝卜的部分韧皮部细胞能发育成完整新植株的原因是什么?提示:细胞中具有发育成本物种个体所需要的全套遗传物质。(2)某同学用胡萝卜的种子也培养出了胡萝卜植株,于是高兴地表示他用实验证明了植物细胞的全能性。该同学的说法对吗?植物的种子发育成完整植株能否体现植物细胞的全能性?提示:不对。植物的种子发育成完整植株不能体现植物细胞的全能性。因为种子中的胚是由受精卵发育而成的,相当于新植物体的幼体,这一过程并没有体现出细胞的全能性。归纳总结1.原理、实质。已经分化的体细胞(或细胞核)仍具有本物种个体发育所需要的全套遗传物质,即每个细胞都有发育成本物种个体所需要的全套基因。易错警示全能性的原理是细胞具有发育成完整个体所必需的“全套”基因而不是“全部”基因,配子具有全套基因,同样具有全能性。2.植物细胞表现全能性的条件。(1)离体状态。(2)适宜的条件:①营养物质:种类齐全、比例合适。②植物激素:生长素、细胞分裂素。③外界条件:适宜的温度、pH和光照(脱分化阶段诱导形成愈伤组织需要避光培养,再分化阶段需要适当时间和强度的光照)等。④无菌操作。典例剖析【例1】下列有关细胞全能性的叙述,错误的是(

)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.生物体内的体细胞由于细胞分化,全能性不能表达C.卵细胞与受精卵一样,细胞未分化,全能性最高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:受精卵是个体发育的起点,在自然条件下,通过细胞的分裂、分化形成完整的个体,所以受精卵的全能性最高;生物体内的体细胞由于细胞分化,细胞中的基因选择性地表达,因此全能性不能表达;卵细胞属于已分化的细胞,与受精卵相比,全能性较低;分化的植物细胞具有全能性,但如果要表现出全能性,植物细胞必须在一定条件下进行离体培养。学以致用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.基因进行了选择性表达C.不同细胞内的基因不完全相同D.在个体发育的不同时期,细胞内的基因不同解析:生物体内的细胞不能表现出全能性,是因为基因会选择性表达,使细胞分化为不同的组织和器官。B二

植物组织培养技术问题探究培养胡萝卜根组织可获得试管苗,获得试管苗的过程如下图所示。(1)为什么用分化的植物细胞可以培养成完整的植株?为什么步骤③切取的组织块中要带有形成层?提示:植物细胞具有全能性(或形成完整植株所需的全部基因)。含形成层的部位容易诱导形成愈伤组织。(2)为什么从步骤⑤到步骤⑥需要更换新的培养基?步骤⑥要进行照光培养,其作用是什么?提示:诱导形成愈伤组织和诱导愈伤组织分化形成试管苗所需的生长素和细胞分裂素的比例不同。诱导叶绿素的形成,使试管苗能够进行光合作用。归纳总结1.原理:植物细胞的全能性。2.过程。(1)外植体:离体的植物器官、组织或细胞。(2)胚状体:将植物细胞离体培养,经过脱分化和再分化,发育成胚状体。胚状体经过生长,进而发育成完整植株。(3)愈伤组织:没有特定结构和功能,排列疏松而无规则,高度液泡化的不定形的薄壁组织团块。比较项目过程形成体特点条件脱分化离体的器官、组织或细胞形成愈伤组织形成的愈伤组织呈不定形的薄壁组织团块,细胞属于未分化状态①离体②提供营养物质(有机物、无机物)③提供激素(生长素、细胞分裂素等)④提供其他适宜条件(温度、无菌等)再分化愈伤组织重新分化成芽、根等器官有根、芽或有生根、发芽的能力3.脱分化与再分化过程的比较。

4.生长素、细胞分裂素对植物组织培养的影响。(1)生长素和细胞分裂素的使用顺序不同,结果不同。使用顺序实验结果先使用生长素,后使用细胞分裂素有利于细胞分裂,但细胞不分化先使用细胞分裂素,后使用生长素细胞既分裂,也分化同时使用分化频率提高(2)生长素和细胞分裂素的比例不同,结果不同。

生长素用量/细胞分裂素用量实验结果比值高有利于根的分化,抑制芽的形成比值低有利于芽的分化,抑制根的形成比值适中促进愈伤组织形成5.菊花组织培养实验的注意事项。(1)条件控制:植物组织培养过程中光照条件的控制非常重要,包括光照强度、光照时间和波长等。在形成愈伤组织的脱分化阶段往往需要暗培养,而在再分化的过程中一定要有光照。脱分化阶段的暗培养有利于细胞的脱分化,产生愈伤组织,因为在光照条件下细胞容易分化产生维管组织,不利于产生大量的愈伤组织。再分化阶段要有光照,这样有利于诱导形成叶绿素,使试管苗能进行光合作用。(2)取材:含形成层(分生组织)的部位易于诱导形成愈伤组织。尽管植物体其他已分化的部位也可以用于组织培养,但诱导愈伤组织的形成比较困难。(3)消毒和灭菌:培养基中含有丰富的营养物质,不仅有利于培养物的生长,也有利于各种杂菌的生长。一旦污染,迅速生长的各种杂菌不仅会与培养物争夺营养,而且会产生大量对培养物有害的物质,导致培养物死亡。(3)植物组织培养的脱分化过程中,植物细胞如何获得生长发育所需的营养物质?提示:植物细胞主要以主动运输的方式从培养基中获取营养物质。(4)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?提示: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,愈伤组织中不含有叶绿体。典例剖析【例2】下面是植物组织培养过程示意图,下列相关说法正确的是(

)A.上述植物组织培养的过程依据的生物学原理是植物细胞具有全能性B.需要对外植体进行严格的灭菌处理,以防止杂菌污染C.外植体在图中的①过程培养时通常需要适当强度的光照D.外植体若是根尖组织,因细胞中没有叶绿体,故培养成的新植株叶片为无色答案:A解析:植物组织培养的原理是植物细胞具有全能性,A项正确。外植体一般只消毒,不进行灭菌处理,以保持外植体的活性,B项错误。①过程是脱分化过程,外植体脱分化过程通常不需要光照,幼小植株形成后才需要光照,C项错误。植株根尖组织中含有控制叶绿体形成的基因,在培养过程中,基因的选择性表达会使培养成的新植株叶片呈绿色,D项错误。学以致用2.下图表示植物组织培养过程。下列有关叙述正确的是(

)A.②的培养基中含有植物激素,不含有机物B.②中的细胞进行脱分化并以减数分裂的方式不断增殖C.调节③培养基中不同植物激素的比例可改变植物细胞分化方向D.⑤植株根尖中分生区细胞与成熟区细胞的全能性表达的难易程度相当答案:C解析:②的培养基中含有植物激素和有机物等,A项错误。②中的细胞进行的分裂方式是有丝分裂,B项错误。细胞分化程度越低,全能性越高,⑤植株根尖中分生区细胞全能性的表达比成熟区细胞容易,D项错误。三

植物体细胞杂交技术问题探究DHA对脑神经发育至关重要。以A、B两种单细胞真核藻为亲本,利用植物体细胞杂交技术选育高产DHA融合藻,两种藻的特性如下表所示。亲本藻优势代谢类型生长速率/[g·(L·d)-1]固体培养基上藻落直径DHA含量/‰A藻自养0.06小0.7B藻异养0.14大无(1)选育的融合藻应具有A藻与B藻的什么优点?提示:选育的融合藻应具有A藻的产生DHA、自养优点与B藻的快速生长的优点。(2)诱导融合前需用纤维素酶处理两种藻,其目的是什么?提示:获得原生质体。(3)通过以下三步筛选融合藻:第一步,观察藻落的大小;第二步,用不含有机碳源的培养基进行照光培养;第三步,测定DHA含量。这三步的作用分别是什么?提示:第一步可淘汰A藻,第二步可淘汰B藻,再通过第三步获取生产所需的融合藻。归纳总结1.植物体细胞杂交过程。(1)过程a是利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,获得原生质体。(2)过程b是诱导原生质体融合,人工诱导的方法分为物理法和化学法。(3)过程c是原生质体融合后再生出细胞壁,这是原生质体融合成功的标志。(4)过程d是植物组织培养过程。(5)杂种细胞的筛选: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,染色体组数通常也是两亲本细胞染色体组数之和,形成的杂种植株为异源多倍体。②体细胞融合成功以后,既有AB型杂种细胞,还有AA型和BB型两种融合细胞,但只有AB型细胞是植物体细胞杂交所形成的杂种细胞,因此在杂种细胞形成后还应有一个筛选过程。2.两个原理。(1)植物体细胞(原生质体)融合的原理:细胞膜的流动性。(2)植物组织培养(杂种细胞培养成杂种植株)的原理:植物细胞的全能性。3.意义:在打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,培育植物新品种等方面展示出独特的优势。典例剖析【例3】通过植物体细胞杂交技术可以获得“烟草—菠菜”——一种新型的植物品种。下图为培育杂种植株过程的示意图,下列操作错误的是(

)A.在融合之前应先去除两种细胞的细胞壁B.原生质体先进行脱分化处理再融合C.原生质体融合后筛选出杂种细胞继续培养D.应先诱导杂种细胞形成愈伤组织再诱导分化成植株B解析:植物细胞具有细胞壁,细胞壁阻碍着细胞的杂交,因此,在进行植物体细胞杂交之前,必须先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,获得原生质体,A项正确。原生质体先融合形成杂种细胞,杂种细胞脱分化形成愈伤组织,再诱导分化成杂种植株,B项错误,D项正确。原生质体融合后,若仅考虑两两融合的情况,有三种类型,即烟草—烟草型,菠菜—菠菜型和烟草—菠菜型,故需筛选出所需要的杂种细胞再继续培养,C项正确。学以致用3.下列关于植物体细胞杂交的叙述,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.融合的原生质体仍具有再生出细胞壁、连续分裂并长成完整植株的能力C.参与杂种细胞的细胞壁形成的细胞器主要是线粒体和核糖体D.原生质体融合成功的标志为杂种细胞再生出细胞壁C解析:植物体细胞杂交过程包括不同种植物原生质体的融合、融合原生质体再生出细胞壁形成杂种细胞、杂种细胞发育为杂种植株的过程,A、B两项正确。参与植物细胞壁形成的细胞器主要是高尔基体和线粒体,C项错误。杂种细胞再生出细胞壁是原生质体融合成功的标志,D项正确。1.下列有关细胞工程的叙述,错误的是(

)A.细胞工程应用的是细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法B.可以通过在分子水平上的操作,按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质C.可以通过在细胞器、细胞或组织水平上的操作,有目的地获得细胞产品D.根据操作对象的不同,可以分为植物细胞工程和动物细胞工程两大领域

B解析:细胞工程是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法,通过细胞器、细胞或组织水平上的操作,有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。2.下图为胡萝卜的离体组织在一定条件下培育形成试管苗的过程示意图。下列有关叙述正确的是(

)A.①②过程中均发生细胞的增殖和分化B.愈伤组织失去了细胞的全能性C.①②过程所用培养基的激素种类与浓度相同D.此过程获得的试管苗可能是杂合子答案:D解析:题图中①为脱分化过程,在该过程中,细胞通过有丝分裂增殖,但不会发生分化;②为再分化过程,在该过程中,细胞也通过有丝分裂增殖,且不断分化。愈伤组织细胞含有该物种全套的遗传物质,仍具有全能性。①所用培养基是诱导脱分化的培养基,②所用培养基为诱导再分化的培养基,这两个过程所用培养基的激素种类相同,但浓度不同。经植物组织培养获得的试管苗的基因型与母体相同,若母体为杂合子,则试管苗也为杂合子,因此该过程获得的试管苗可能是杂合子。3.某课外活动小组获得了一株性状优良的结球生菜,并利用植物组织培养技术对其进行快速繁殖。下列叙述正确的是(

)A.外植体消毒的过程:酒精消毒30s→次氯酸钠溶液处理30min→无菌水清洗2~3次B.愈伤组织是一种不定形的薄壁组织团块,诱导产生愈伤组织时每日应给予适时光照C.诱导生芽培养基与诱导生根培养基相比,前者中细胞分裂素所占的比例和用量更高D.打开封口膜后直接用流水清洗掉幼苗根部的培养基,然后移植到消过毒的蛭石环境中