第49讲　植物细胞工程

第49讲植物细胞工程高考总复习优化设计GAOKAOZONGFUXIYOUHUASHEJI2025素养目标考点一植物细胞工程的基本技术夯实基础•精研教材1.细胞工程的概念

细胞器水平、细胞水平或组织水平2.植物细胞工程的理论基础——细胞的全能性(1)细胞全能性的概念:细胞经分裂和分化后,仍然具有产生

或分化成

的潜能,即细胞具有全能性。

(2)在生物体内全能性不能表达的原因:在特定的时间和空间条件下,细胞中的基因会有

地表达出各种蛋白质,从而构成生物体的不同组织和器官。

(3)植物细胞具有全能性的原因:一般生物体的每一个细胞都含有

信息,即都有发育成完整个体所必需的全部遗传信息。

完整生物体其他各种细胞选择性该物种所特有的全套遗传(4)植物细胞全能性表达的条件:适宜的培养条件(5)不同细胞的全能性比较:①体细胞全能性: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。②不同细胞的全能性:受精卵>

>体细胞。

③不同生物的细胞全能性:植物细胞>动物细胞。④全能性与细胞分化的关系:一般情况下,随着细胞分化程度的不断提高,细胞的全能性

。

生殖细胞逐渐降低3.植物组织培养技术(1)概念理解:(2)原理:植物细胞具有

。

植物器官、组织或细胞形成完整的植株全能性①脱分化:

的细胞,经过脱分化,即失去其特有的

而转变成未分化细胞的过程。

②再分化:

重新分化成

等器官。

愈伤组织已经分化结构和功能愈伤组织芽、根再分化(4)操作实例——菊花的组织培养:次氯酸钠薄壁组织团块<>(5)植物激素在植物组织培养中的作用:生长素/细胞分裂素植物组织的发育方向高有利于根的分化,抑制芽的形成低有利于芽的分化,抑制根的形成适中促进愈伤组织的生长简记为:“高”根,“低”芽,“中”愈伤注:表中比值为同时使用这两类激素时,两者用量的比例。

4.植物体细胞杂交技术(1)概念将不同来源的

,在一定条件下融合成

,并把杂种细胞培育成

的技术。

(2)原理体细胞杂交利用了细胞膜的

,杂种细胞培育成杂种植株利用了植物细胞的

。

植物体细胞杂种细胞新植物体流动性全能性(3)过程

(4)意义打破

,实现

,培育植物新品种。

生殖隔离远缘杂交育种教材深挖1.[选择性必修3第35页“探究·实践”](1)实验中使用的培养基和所有的器械都要

。接种操作必须在

进行,并且每次使用后的器械都要

。

(2)接种时注意外植体的方向,不要

。

(3)诱导愈伤组织期间一般

光照,在后续的培养过程中,每日需要给予

。

灭菌酒精灯火焰旁灭菌倒插不需要适当时间和强度的光照2.[选择性必修3第116页“附录1”](1)诱导菊花愈伤组织的培养基:在MS培养基中加入BA(苄基腺嘌呤)和NAA(萘乙酸),质量浓度均为0.5

mg/L(BA和NAA的浓度可以根据菊花的品种进行调整)。(2)诱导菊花生芽的培养基:在MS培养基中加入BA和NAA,质量浓度分别为2~3

mg/L和0.02~0.3

mg/L。

(3)诱导菊花生根的培养基:将上述MS培养基中NH4NO3、KNO3、KH2PO4、MgSO4·7H2O和CaCl2·2H2O的用量减半,并添加NAA或IAA(吲哚乙酸),质量浓度均为0.1

mg/L。透析重难•精准突破1.植物组织培养与植物体细胞杂交的比较

2.植物体细胞杂交和有性杂交的辨析

练思维·考教衔接[根据2020浙江卷、2019全国Ⅲ卷、2020天津卷情境设计]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(见下表)进行预实验。回答下列问题。(1)利用带侧芽的茎段获得丛状苗的过程与利用茎段诱导产生愈伤组织再获得丛状苗的过程相比,前者总培养时间

,且不经历

过程,因而其遗传性状稳定,是大多数植物快速繁殖的常用方法。用分化的植物细胞可以培养成完整的植株,这是因为植物细胞具有

。

(2)Ⅰ阶段时通常选择茎尖、幼叶等作为外植体,原因是

。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段中发生基因选择性表达的是

阶段。

短脱分化全能性(或形成完整植株所需的全部基因)细胞分化程度低,容易诱导产生愈伤组织Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(3)从Ⅰ阶段到Ⅱ、Ⅲ阶段需要更换新的培养基,其原因是_______________________________________________________________

。在新的培养基上愈伤组织通过细胞的

过程,最终可形成试管苗。

(4)Ⅱ、Ⅲ阶段要进行照光培养,其作用是

。经组织培养得到的植株,一般可保持原品种的

,这种繁殖方式属于

繁殖。(5)为确定品种A的Ⅰ阶段的最适细胞分裂素浓度,参照品种B的激素配比(m1>2.0),以0.5

μmol/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

μmol/L。

诱导愈伤组织形成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再分化诱导叶绿素的形成,使试管苗能够进行光合作用遗传特性无性m1+1.0考向探究•素养提升考向一

结合植物组织培养的过程,考查科学探究1.培养胡萝卜根组织可获得试管苗,获得试管苗的过程如图所示,下列叙述错误的是(

)A.胡萝卜根段进行组织培养可以形成试管苗,是因为植物细胞具有全能性B.步骤③切取的组织块中要带有形成层,原因是形成层容易诱导形成愈伤组织C.步骤⑤要进行照光培养,其作用是诱导叶绿素的合成D.步骤⑤和步骤⑥的培养基中所需的生长素和细胞分裂素的比例不同C解析

步骤⑤为脱分化过程,不需要照光,C项错误。

2.(2024·山东联考模拟)青蒿素是黄花蒿开花后期在叶中形成的一种萜类化合物。青蒿素的合成代谢途径是植物固醇代谢的分支途径,与植物固醇具有共同的前体甲羟戊酸。由于细胞生长和青蒿素生物合成的条件不同,可通过生长培养基和发酵培养基两步法生产青蒿素。下列分析正确的是(

)A.生长培养基通过提供促进细胞生长的条件来提高单个细胞的青蒿素产量B.生长培养基中生长素含量明显高于细胞分裂素有利于脱分化的进行C.在发酵培养基中加入固醇生物合成抑制剂可增加青蒿素的产量D.青蒿素在叶肉细胞的核糖体上合成后,经内质网和高尔基体加工C解析

生长培养基通过增加细胞数目来提高青蒿素的产量,单个细胞青蒿素的产量不变,A项错误;生长培养基中生长素含量应与细胞分裂素含量相同,有利于脱分化的进行,B项错误;由题干可知,青蒿素与植物固醇具有共同的前体物质,因此加入固醇生物合成抑制剂可抑制固醇的合成,增加青蒿素的产量,C项正确;青蒿素是一种萜类化合物,不是蛋白质,因此不是在核糖体上合成的,D项错误。考向二

围绕植物体细胞杂交,考查科学探究3.疣粒野生稻(2n=24)对白叶枯病的抗性持久而且稳定,是理想的抗病育种材料。为了充分利用疣粒野生稻资源,通过采用疣粒野生稻和栽培稻(2n=24)体细胞杂交的方法获得后代,从而实现疣粒野生稻遗传物质向栽培稻转移。下列相关叙述错误的是(

)A.疣粒野生稻和栽培稻之间存在生殖隔离,自然条件下不能进行基因交流B.两种水稻细胞经酶解去壁、诱导融合后可通过观察染色体数目筛选出杂种细胞C.杂种水稻的组织培养过程需要更换培养基,提高生长素的比例有利于根的分化D.经组织培养获得的杂种幼苗,一般需要经过由无菌到有菌的炼苗过程才能用于生产实践B解析

两种水稻细胞融合后的不同种类细胞中的染色体数目相同,故不能通过观察染色体数目筛选出杂种细胞,需要观察染色体形态,B项错误。考点二植物细胞工程的应用夯实基础•精研教材1.植物繁殖的新途径

高效、快速地实现种苗的大量繁殖保持优良品种的遗传特性植物顶端分生区附近(如茎尖)2.作物新品种的培育

染色体变异单倍体纯合子基因突变新品种3.细胞产物的工厂化生产(1)初生代谢与次生代谢:初生代谢是

,因此在整个生命过程中它一直进行着。初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质和核酸等。次生代谢不是生物生长所必需的,一般在特定的组织或器官中,并在一定的环境和时间条件下才进行。

(2)生产的技术手段:

技术,是指在

条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其

的技术。

生物生长和生存所必需的代谢活动植物细胞培养离体增殖(3)过程:

(4)优点:

。

(5)实例:人参、三七、紫草和红豆杉的细胞产物都已实现了工厂化生产。(6)注意事项:愈伤组织细胞产物生产速度快教材深挖[选择性必修3第40页正文拓展]脱毒苗与抗毒苗有何区别?作物脱毒时应选取哪里的组织进行组织培养?原因是什么?提示

脱毒苗是选择植物的分生区如茎尖(刚形成,不含有病毒)进行组织培养而获得的,属于细胞工程的范畴。抗毒苗是把某抗病毒基因导入受体细胞中,并通过一定的方法培养形成的,属于基因工程的范畴。作物脱毒时一般选取根尖或茎尖的分生区;植物的分生区病毒极少,甚至无病毒,用分生区细胞进行组织培养,就能得到大量的脱毒苗。链高考·前挂后连(1)经花粉离体培养获得的若干再生植株均为二倍体。[2019·北京卷](

)(2)用组织培养繁殖一种名贵花卉,消毒外植体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。[2013·重庆卷](

)(3)工业化大量培养植物试管苗的过程为植物组织培养过程,其操作顺序是离体的器官、组织、细胞(外植体)→愈伤组织→长出丛芽→生根→移栽成活。[2013·上海卷](

)×√√透析重难•精准突破单倍体育种、突变体的利用和细胞产物的工厂化生产的比较

项目单倍体育种突变体的利用细胞产物的工厂化生产原理植物细胞的全能性、染色体数目的变异基因突变和植物细胞的全能性植物细胞的全能性优点与杂交育种相比,单倍体育种明显缩短育种年限,加快育种进程提高愈伤组织的突变率,可以获得高抗、高产、优质、抗逆的新品种,加快了育种进程可以大量生产细胞产物,工厂化、规模化程度高练思维·考教衔接[根据2019全国Ⅱ卷、2019浙江卷、2018海南卷、2020天津卷情境设计]植物组织培养技术在科学研究和生产实践中得到了广泛的应用。回答下列问题。(1)植物微型繁殖是植物繁殖的一种途径。与常规的种子繁殖方法相比,这种微型繁殖技术的特点有

(答出2点即可)。

(2)通过组织培养技术,可把植物组织细胞培养成胚状体,再通过人工种皮(人工薄膜)包装得到人工种子,这种人工种子在适宜条件下可萌发生长。人工种皮具备透气性的作用是

。人工胚乳能够为胚状体生长提供所需的物质,因此应含有植物激素、

和

等几类物质。

能保持植物原有的遗传特性,繁殖速度快有利于胚状体进行细胞呼吸矿质元素糖(3)用抗病品种与高产品种进行杂交育种过程中,有时会遇到因胚发育终止而得不到可育种子的情况。若要使该胚继续发育获得植株,可采用的方法是

。

(4)假设某种转基因作物因为受到病毒感染而减产,若要以该转基因作物为材料获得脱毒苗,应选用

作为外植体进行组织培养。植物细胞在培养过程中往往会发生

,可利用这一特性筛选抗致病病毒能力强的细胞。筛选时在培养基中加入

,并将存活的细胞进一步培养至再生植株。若利用

培养建立的细胞系用于筛选,则可快速获得稳定遗传的抗病植株。若在诱导形成愈伤组织时用

对材料进行处理,最易获得由单个细胞形成的多倍体。

胚的离体培养茎尖或芽尖变异高浓度致病病毒花药离体花药离体(5)植物组织培养技术可与基因工程技术相结合获得转基因植株。将含有目的基因的细胞培养成一个完整植株的基本程序是

(用流程图表示)。

考向探究•素养提升考向

围绕植物细胞工程的应用,考查社会责任1.红薯是我国种植面积较大的一类作物,但长期以来的连种,造成了红薯品种退化,产量和品质逐年下降,其主要原因是所用的种薯携带了大量的病毒。研究人员利用现代生物技术,对红薯进行脱毒培养。下列说法错误的是(

)A.可以选择红薯茎尖或根尖的分生区作为外植体B.若选择的外植体体积过大,可能会导致脱毒率降低C.培育红薯脱毒苗的过程中,需要适时调整激素的比例D.培育红薯脱毒苗过程中,激素使用不当会导致性状分离D解析

培育红薯脱毒苗过程中,细胞分裂的方式为有丝分裂,激素使用不当不会导致性状分离,D项错误。2.下图表示玉米(2n=20)的花药离体培养及单倍体育种的大致过程。下列叙述错误的是(

)A.过程①是脱分化,形成的愈伤组织细胞处于未分化状态B.过程②进行的是有丝分裂,植株A是从试管苗中筛选出的可育二倍体C.过程①和②均要使用生长素和细胞分裂素,但两种激素的比例不同D.可用体积分数为70%的酒精对花药进行消毒处理B解析

过程②是愈伤组织进行再分化的过程,植株A是由花药离体培养而得的单倍体,B项错误。3.紫杉醇是一种抗癌药物,主要从红豆杉树皮中分离提取。目前采用物理或化学方法将红豆杉愈伤组织固定在一定空间内,实现紫杉醇的规模化生产是提高紫杉醇产率、保护稀缺资源红豆杉、解决紫杉醇药源紧缺的一种有效方法。下列相关叙述正确的是(

)A.通过植物组织培养诱导红豆杉再分化形成愈伤组织时,需生长素和细胞分裂素配合使用B.采用植物细胞工程技术大规模生产紫杉醇时,应选用以糖类作碳源的液体培养基C.大规模培养红豆杉愈伤组织时需要以牛肉膏、蛋白胨等含氮有机物充当氮源D.用液体培养基培养固定在一定空间内的愈伤组织生产紫杉醇时,不需要通入无菌空气B解析

通过植物组织培养诱导红豆杉脱分化形成愈伤组织,A项错误;采用植物细胞工程技术大规模生产紫杉醇时,应选用以糖类作碳源的液体培养基,便于收集表达产物,B项正确;大规模培养红豆杉愈伤组织时需要以含氮无机盐充当氮源,C项错误;用液体培养基培养固定在一定空间内的愈伤组织生产紫杉醇时,需要通入无菌空气,利于细胞进行有氧呼吸,D项错误。真题演练•领悟考情角度1植物组织培养1.(2022·浙江卷)下列关于菊花组织培养的叙述,正确的是(

)A.用自然生长的茎段进行组织培养须用适宜浓度的酒精和次氯酸钠的混合液消毒B.培养瓶用专用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C.组培苗锻炼时采用蛭石作为栽培基质的原因是蛭石带菌量低且营养丰富D.再生植株需去除根部残留的培养基进行锻炼后才能移种大田D解析

自然生长茎段的消毒属于外植体消毒,先将流水充分冲洗后的外植体用体积分数为70%的酒精消毒,用无菌水清洗,再用次氯酸钠溶液处理,最后再用无菌水清洗,A项错误;培养瓶用专用封口膜封口的目的是防止杂菌污染,并不影响气体交换,B项错误;组培苗锻炼时采用蛭石作为栽培基质的原因是蛭石比较松软,持水性也较好,有利于幼苗的生根和叶片的生长,C项错误。2.(2021·湖北卷)月季在我国享有“花中皇后”的美誉。为了建立月季某新品种的快速繁殖体系,以芽体为外植体,在MS培养基中添加不同浓度的6-BA和IBA进行芽体增殖实验,芽分化率(%)结果如表。IBA/(mg·L-1)0.10.20.30.40.51.031635849412.040957669503.037756454414.025353130255.08211284关于上述实验,下列叙述错误的是(

)A.6-BA浓度大于4.0mg/L时,芽分化率明显降低B.6-BA与IBA的比例为10∶1时,芽分化率均高于其他比例C.在培养基中同时添加适量的6-BA和IBA,可促进芽分化D.2.0mg/L6-BA和0.2mg/LIBA是实验处理中芽分化的最佳组合B解析

根据题表可知,6-BA浓度为从4.0

mg/L到5.0

mg/L时,芽分化率降低非常明显,故6-BA

浓度大于4.0

mg/L时,芽分化率明显降低,A项正确;据表可知,当6-BA与IBA的比例为10∶1时,芽分化率为31%、95%、64%、30%、4%,因此6-BA与IBA的比例为10∶1时,芽分化率不一定都高于其他比例,B项错误;据表可知,6-BA与IBA的比例会影响芽的分化率,因此在培养基中同时添加适量的6-BA和IBA,可促进芽分化,C项正确;据表可知,芽分化率为95%是最高的,此时6-BA和IBA的浓度分别为2.0

mg/L、0.2

mg/L,是实验处理中芽分化的最佳组合,D项正确。角度2植物体细胞杂交3.(2023·湖北卷)栽培稻甲产量高、品质好,但每年只能收获一次。野生稻乙种植一次可连续收获多年,但产量低。中国科学家利用栽培稻甲和野生稻乙杂交,培育出兼具两者优点的品系丙,为全球作物育种提供了中国智慧。下列叙述错误的是(

)A.该成果体现了生物多样性的间接价值B.利用体细胞杂交技术也可培育出品系丙C.该育种技术为全球农业发展提供了新思路D.品系丙的成功培育提示我们要注重野生种质资源的保护A解析

通过利用栽培稻甲和野生稻乙的杂交,培育出兼具两者优点的品系丙,这体现了生物多样性的直接价值,A项错误。体细胞杂交技术是一种育种方法,可以通过将两个不同种的细胞融合在一起来创建新的品种或基因组合,这种技术在植物育种中被广泛使用,包括培育出具有两种不同亲本优点的新品系,因此,可以利用体细胞杂交技术培育出兼具栽培稻甲和野生稻乙优点的品系丙,B项正确。栽培稻甲和野生稻乙的杂交育种技术为全球农业发展提供了一种新的思路,通过成功培育出兼具两者优点的品系丙,可以看到野生种质资源在作物育种中的重要性,这提醒我们要注重保护和保存野生种质资源,以便利用其潜在的遗传优势进行育种工作,提高作物的适应性和品质,C、D两项正确。4.(2021·福建卷)科研人员利用植物体细胞杂交技术培育矮牵牛新品种,技术流程示意图如下。下列叙述正确的是(

)A.愈伤组织是幼嫩叶片通过细胞分化形成的B.获得的杂种植株都能表现双亲的优良性状C.可用聚乙二醇诱导原生质体甲和乙的融合和细胞壁再生D.用纤维素酶和果胶酶处理愈伤组织以获得原生质体D解析

愈伤组织是幼嫩叶片通过细胞脱分化形成的,A项错误;由于基因的选择性表达和基因间的互作效应,获得的杂种植株不一定能够表现亲本的优良性状,B项错误;可用聚乙二醇诱导原生质体甲和乙的融合,但不能诱导细胞壁的再生,C项错误;由于植物细胞细胞壁的成分主要是纤维素和果胶,故可以用纤维素酶和果胶酶处理愈伤组织以获得原生质体,D项正确。角度3植物细胞工程的应用5.(2023·山东卷)利用植物细胞培养技术在离体条件下对单个细胞或细胞团进行培养使其增殖,可获得植物细胞的某些次生代谢物。下列说法正确的是(

)A.利用该技术可获得某些无法通过化学合成途径得到的产物B.植物细胞体积小,故不能通过该技术进行其产物的工厂化生产C.次生代谢物是植物所必需的,但含量少,应选择产量高的细胞