学年高考生物大一轮复习第十单元现代生物科技专题第34讲细胞工程学案.docx

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学年高考生物大一轮复习第十单元现代生物科技专题第34讲细胞工程学案

第34讲　细胞工程

[考纲要求]　1.植物的组织培养（Ⅱ）。

2.动物细胞培养与体细胞克隆（Ⅱ）。

3.细胞融合与单克隆抗体（Ⅱ）。

考点一　植物细胞工程

1．细胞工程的概念

2．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）物质基础：

细胞内含有本物种全部的遗传信息。

（3）植物细胞全能性表达的条件：

具有完整的细胞结构；处于离体状态；提供一定的营养、激素和其他适宜外界条件。

3．植物组织培养技术

（1）原理：

植物细胞具有全能性。

（2）过程

4．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）操作流程

①过程a为去除细胞壁获得具有活力的原生质体，用到的酶是纤维素酶和果胶酶。

②过程b是原生质体的融合，其原理是细胞膜具有一定的流动性。

人工诱导的方法有物理法，包括离心、振动、电激等；化学法一般用聚乙二醇（PEG）作为诱导剂来诱导细胞融合。

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，其原理是植物细胞的全能性。

（3）意义：

克服了远缘杂交不亲和的障碍。

深化拓展　植物体细胞杂交后的遗传物质分析

（1）遗传特性：

杂种植株中含有两种植物的遗传物质，故杂种植株具备两种植物的遗传特性。

（2）染色体组数

①染色体组数＝两种植物体细胞内染色体组数之和。

②植物体细胞杂交形成的杂种植株，有几个染色体组就称为几倍体。

③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，其体细胞中染色体数为（2x＋2y）条，4个染色体组，基因型为AabbccDd。

5．植物细胞工程的应用

（1）微型繁殖：

优点是能够保持亲本的优良性状。

（2）作物脱毒：

利用茎尖、根尖等无毒组织进行微型繁殖。

（3）培育人工种子：

可以解决某些植物结实率低、繁殖困难的问题。

（4）作物新品种的培育

（5）细胞产物的工厂化生产：

即利用植物组织培养技术生产蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料和生物碱等。

1．有关细胞全能性与组织培养的判断

（1）棉花根尖细胞经诱导形成幼苗能体现细胞的全能性（　√　）

（2）植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出细胞的全能性（　×　）

（3）在诱导离体菊花茎段形成幼苗的过程中，不会发生细胞的增殖和分化（　×　）

（4）愈伤组织是外植体通过脱分化和再分化后形成的（　×　）

（5）经植物组织培养得到的胚状体用人工薄膜包装后可得到人工种子（　√　）

2．有关植物体细胞杂交技术的判断

（1）利用物理法或化学法可以直接将两个植物细胞进行诱导融合（　×　）

（2）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（　×　）

（3）再生出细胞壁是原生质体融合成功的标志（　√　）

（4）培养草莓脱毒苗所采用的主要技术是细胞杂交（　×　）

据图分析植物体细胞杂交过程

（1）植物体细胞杂交依据的生物学原理是什么？

提示　细胞膜的流动性、植物细胞的全能性。

（2）如何根据细胞膜表面荧光判断该原生质体是由番茄和马铃薯融合而成的？

提示　融合的细胞表面既有红色荧光又有绿色荧光。

（3）若番茄细胞内有m条染色体，马铃薯细胞内有n条染色体，则“番茄—马铃薯”细胞在有丝分裂后期含有多少条染色体？

提示　2（m＋n）条。

（4）若杂种细胞培育成的“番茄—马铃薯”植株为四倍体，则此杂种植株的花粉经离体培育得到的植株属于几倍体植株？

提示　单倍体植株。

命题点一　植物组织培养过程的分析

1．某兴趣小组拟用组织培养繁殖一种名贵花卉，其技术路线为“取材→消毒→愈伤组织培养→出芽→生根→移栽”。

下列有关叙述错误的是（　　）

A．消毒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

B．在愈伤组织培养中加入细胞融合的诱导剂，可获得染色体加倍的细胞

C．出芽是细胞再分化的结果，受基因选择性表达的调控

D．生根时，培养基通常应含α－萘乙酸等生长素类调节剂

答案　B

解析　植物组织培养中消毒的原则是既杀死材料表面的微生物，又减少消毒剂对培养材料的伤害，A项正确；植物体细胞的杂交需先除去细胞壁得到原生质体，再在细胞融合诱导剂作用下获得染色体加倍的细胞，B项错误；细胞分化的实质是基因的选择性表达，C项正确；植物组织培养过程中，生根阶段的培养基中通常应含有生长素类调节剂，D项正确。

2．（2018·济南调研）如图是通过植物细胞工程技术获得紫杉醇的途径，下列叙述正确的是

（　　）

A．该途径依据的原理是植物细胞具有全能性

B．过程①需控制好培养基中植物激素的比例

C．经过程①细胞的形态和结构未发生变化

D．过程③需使用固体培养基，有利于细胞增殖

答案　B

解析　细胞全能性以细胞发育成个体为标志，而图中并没有形成完整植物体，A项错误；过程①是脱分化，而决定植物脱分化和再分化的关键因素是培养基中植物激素的种类和比例，因此该过程需控制好培养基中植物激素的比例，B项正确；过程①是脱分化，经该过程细胞的形态和结构发生了变化，成为高度液泡化的薄壁细胞，C项错误；过程③需使用液体培养基，有利于细胞增殖，D项错误。

植物组织培养中生长素和细胞分裂素的比值与效果

生长素/细胞分裂素的比值

作用效果

比值高时

促进根分化、抑制芽形成

比值低时

促进芽分化、抑制根形成

比值适中

促进愈伤组织形成

命题点二　植物细胞工程的综合应用

3．为了获得植物次生代谢产物，先用植物外植体获得愈伤组织，然后在液体培养基中悬浮培养。

请回答下列问题：

（1）外植体经诱导后形成愈伤组织的过程称为_________________________________。

（2）在愈伤组织悬浮培养时，细胞干重、蔗糖浓度和pH的变化如下图所示。

细胞干重在12d后下降的原因有________________________________；培养液中蔗糖的作用是________________、________________。

（3）多倍体愈伤组织细胞产生的次生代谢产物量常高于二倍体。

二倍体愈伤组织细胞经________________处理，会产生染色体加倍的细胞。

为检测愈伤组织细胞染色体数目，压片前常用纤维素酶和________酶解离愈伤组织。

若愈伤组织细胞（2N）经诱导处理后，观察到染色体数为8N的细胞，合理的解释是____________________________________、________________________________________________________________________。

答案　

（1）脱分化　

（2）蔗糖浓度下降，pH降低　提供能源　调节渗透压　（3）秋水仙素（低温）　果胶　经加倍到4N的细胞处于有丝分裂后期　经加倍到8N的细胞处于有丝分裂中期

解析　

（1）外植体经诱导形成愈伤组织的过程称为脱分化。

（2）观察图示可知，12d后蔗糖浓度和pH都下降到较低水平，影响能量的供应和酶的活性，导致细胞干重下降。

另外，培养液中的蔗糖还具有调节渗透压的作用。

（3）在细胞分裂过程中，用低温或秋水仙素处理，都可抑制纺锤体的形成，使染色体不能移向两极，从而使细胞中染色体数目加倍。

愈伤组织的细胞之间含有纤维素和果胶，欲将其分散成单个细胞，压片前需用纤维素酶和果胶酶处理。

愈伤组织细胞经诱导处理后，有的细胞染色体数目加倍（4N），有的细胞染色体数目未加倍（2N），也可能有的细胞在连续分裂中每次都因低温或秋水仙素抑制了纺锤体的形成，导致细胞中染色体数目连续加倍，出现染色体数目为8N的细胞。

所以染色体数目加倍到4N的细胞处于有丝分裂后期时染色体数目为8N，染色体数目加倍到8N的细胞处于有丝分裂中期时染色体数目也为8N。

4．利用相关工程技术可以获得抗黑腐病杂种黑芥—花椰菜植株，已知野生黑芥具有黑腐病的抗性基因，而花椰菜易受黑腐病菌的危害而患黑腐病，技术人员用一定剂量的紫外线处理黑芥原生质体可使其染色体片段化，并丧失再生能力，再利用此原生质体作为部分遗传物质的供体与完整的花椰菜原生质体融合，流程如下图。

据图回答下列问题：

（1）该过程用到的工程技术有________________和________________。

（2）过程①所需的酶是____________________________，过程②PEG的作用是________________，经过②操作后，需筛选出融合的杂种细胞，显微镜下观察融合的活细胞中有供体的叶绿体存在可作为初步筛选杂种细胞的标志。

（3）原生质体培养液中需要加入适宜浓度的甘露醇以保持一定的渗透压，其作用是________________。

原生质体经过细胞壁再生，进而分裂和脱分化形成________________________________________________________________________。

（4）若分析再生植株的染色体变异类型，应剪取再生植株和双亲植株的根尖，制成装片，然后在显微镜下观察比较染色体的__________________；将杂种植株栽培在含有________________的环境中，可筛选出具有高抗性的杂种植株。

答案　

（1）植物体细胞杂交　植物组织培养　

（2）纤维素酶和果胶酶　促进原生质体的融合　（3）保持原生质体完整性　愈伤组织　（4）形态和数目　黑腐病菌

解析　

（1）据图可知，该流程图表示先去掉两种植物细胞的细胞壁，然后诱导融合获得杂种细胞，通过植物组织培养获得杂种植株，该过程是植物体细胞杂交。

（2）植物细胞细胞壁的成分是纤维素和果胶，因此采用纤维素酶和果胶酶去掉植物细胞的细胞壁；聚乙二醇（PEG）的作用是促进原生质体的融合。

（3）去掉细胞壁后获得的原生质体需要放在适宜浓度的甘露醇溶液中，保持原生质体完整性，避免失水或吸水；在植物组织培养中，经过脱分化后形成愈伤组织。

（4）由于染色体在显微镜下能看见，因此可以制作临时装片，观察染色体的形态和数目，以确定是否发生染色体变异；对杂种植物进行鉴定最简单的方法是从个体水平上进行检测，即接种黑腐病菌，观察植物的性状。

植物体细胞杂交过程中杂种细胞类型及检测方法

（1）诱导产生的细胞（假设用于杂交的两种植物细胞分别为A、B）

①未融合的细胞：

A和B。

②两两融合的细胞：

AA、BB和AB。

③多细胞融合体。

（2）检测方法：

对诱导产生的细胞进行植物组织培养，然后根据得到的植物性状进行判断。

①若得到的是一种植物的性状，说明是未融合细胞。

②若得到的是具有两种亲本性状的植物，说明是杂种植株。

③若得到的是具有两种亲本性状的植物，且一种植物的性状得到加强，则是多细胞融合体。

④若得到的是一种植物的性状且效果得到加强，则是同种细胞融合的结果。

考点二　动物细胞培养与核移植技术

1．动物细胞培养

（1）原理：

细胞增殖。

（2）培养条件

①无菌、无毒的环境：

对培养液和所有培养用具进行无菌处理，添加抗生素，定期更换培养液以清除代谢产物。

②营养：

除正常的有机和无机营养外，通常需加入血清、血浆等一些天然成分。

③适宜的温度和pH：

温度为36.5±0.5_℃（哺乳动物），pH为7.2～7.4。

④气体环境：

含95%空气加5%CO2的混合气体。

（3）动物细胞的培养过程

（4）应用：

生物制品的生产、检测有毒物质、医学研究。

小贴士　关于动物细胞培养的两组概念辨析

（1）细胞贴壁和接触抑制：

悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上，称为细胞贴壁。

当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞就会停止分裂增殖，这种现象称为接触抑制。

（2）原代培养与传代培养

①原代培养：

细胞悬液第一次在瓶中培养，没有分瓶培养之前的细胞培养。

原代培养的细胞核型正常。

②传代培养：

进行分瓶后的扩大培养，即传代培养。

一般情况下，细胞传至10～50代后，增殖会明显减缓，甚至完全停止，部分细胞出现核型异常。

2．动物体细胞核移植技术和克隆动物

（1）原理：

动物体细胞核具有全能性。

（2）过程

（3）结果：

产生新个体。

（4）应用：

①加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育；②保护濒危物种；③生产医用蛋白；④作为异种移植的供体；⑤用于组织器官的移植。

深化拓展　植物组织培养与动物细胞培养的比较

比较项目

植物组织培养

动物细胞培养

理论基础

植物细胞的全能性

细胞增殖

前处理

无菌、离体

无菌；用胰蛋白酶处理，使组织细胞相互分散开

取材

植物较幼嫩的部位或花药等

动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织

培养基性质

固体

液体

培养基成分

水、矿质元素、蔗糖、维生素、植物激素、琼脂等

糖、氨基酸、无机盐、促生长因子、微量元素、动物血清等

结果

最终产生新个体，体现了细胞的全能性

细胞培养产生大量细胞，不形成新个体，不能体现细胞的全能性

相同点

①都需人工条件下的无菌操作；②都需要适宜的温度、pH等条件；③都进行有丝分裂，都不涉及减数分裂

1．有关动物细胞培养的判断

（1）制备肝细胞悬液时先用剪刀剪碎肝组织，再用胃蛋白酶处理（　×　）

（2）肝细胞培养过程中通常在培养液中通入5%的CO2刺激细胞呼吸（　×　）

（3）在25℃的实验条件下可顺利完成大鼠神经细胞的培养（　×　）

（4）培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞（　×　）

（5）克隆培养法培养过程中多数细胞的基因型会发生改变（　×　）

（6）二倍体细胞的传代培养次数通常是无限的（　×　）

2．有关动物细胞核移植的判断

（1）动物细胞核移植的受体细胞必须是卵细胞（　×　）

（2）克隆动物的性状与供体动物完全相同（　×　）

（3）与“多利”羊等克隆哺乳动物相关的技术有胚胎移植、细胞培养和核移植（　√　）

（4）用于核移植的供体细胞一般都选用10代以内的培养细胞（　√　）

如图为动物细胞培养过程中细胞增殖情况的变化曲线，图中B、E两点表示经筛选、分装后继续培养。

据图分析：

（1）原代培养和传代培养的分界点是哪个？

提示　B点之前的培养称为原代培养，之后的培养称为传代培养。

（2）AB段和DE段繁殖速度缓慢的原因是什么？

提示　AB段发生了接触抑制；DE段细胞大部分衰老失去分裂能力。

（3）E点后的细胞大多数具有异倍体核型，这样的细胞有什么特点？

提示　E点后的细胞属于细胞系，能无限增殖。

命题点一　动物细胞培养过程的分析

1．下列有关动物细胞培养的叙述，正确的是（　　）

A．动物细胞培养过程中，可用胃蛋白酶处理使细胞分散开

B．通过动物细胞培养获得大量细胞，可证明动物细胞具有全能性

C．动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础

D．动物细胞培养选用的培养材料大多是动物的受精卵

答案　C

解析　动物细胞培养过程中，应用胰蛋白酶处理使细胞分散开，A项错误；通过动物细胞培养获得大量细胞，没有获得完整个体，不能证明动物细胞具有全能性，B项错误；动物细胞培养选用的培养材料大多是幼龄动物的组织或细胞，D项错误。

2．（2018·六安一中质检）回答下列有关动物细胞培养的问题：

（1）在动物细胞培养过程中，当贴壁细胞分裂生长到细胞表面______________时，细胞会停止分裂增殖，这种现象称为细胞的____________。

此时，瓶壁上形成的细胞是________层。

要使贴壁的细胞从瓶壁上分离下来，需要用酶处理，用到的酶是____________。

（2）随着细胞传代次数的增多，绝大部分细胞分裂停止，进而出现__________________现象；但极少数细胞可以连续增殖，其中有些细胞会因遗传物质发生改变而获得________，该种细胞的黏着性________，细胞膜表面蛋白质（糖蛋白）的量________。

（3）现用某种大分子染料对细胞进行染色时，观察到死细胞被染色，而活细胞不被染色，原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）检查某种毒物是否能改变细胞染色体的数目，最好选用分裂________期的细胞在显微镜下进行观察。

（5）在细胞培养过程中，通常在________条件下保存细胞。

因为在这种条件下，细胞中________的活性降低，细胞______________速率降低。

答案　

（1）相互接触　接触抑制　单（或一）　胰蛋白酶

（2）衰老甚至死亡　不死性　降低　减少　（3）活细胞的细胞膜具有选择透过性，大分子染料不能进入活细胞内（或死细胞的细胞膜丧失了选择透过性，大分子染料能够进入死细胞内而着色）　（4）中　（5）冷冻（或超低温、液氮）　酶　新陈代谢

解析　

（1）细胞接触抑制是指细胞表面相互接触时，细胞就会停止分裂增殖的现象。

基于上述特性，瓶壁上形成的细胞是单层排列的。

需要用胰蛋白酶将贴壁的细胞从瓶壁上分离下来。

（2）随着细胞传代次数的增多，绝大部分细胞分裂停止，进而出现衰老甚至死亡现象，但极少数细胞可以连续增殖，其中有些细胞会因遗传物质发生改变而变成不死性细胞。

该种细胞由于细胞表面糖蛋白减少，其黏着性降低。

（3）活细胞的细胞膜具有选择透过性，大分子染料不能通过，所以活细胞不被染色；死细胞的细胞膜失去了选择透过性，大分子染料可以通过，所以死细胞能被大分子染料染色。

（4）有丝分裂中期时染色体的着丝点排列在赤道板上，染色体形态固定、数目清晰，是观察染色体数目的最佳时期。

（5）在细胞培养过程中，通常在冷冻（或超低温、液氮）条件下保存细胞。

因为在这种条件下，细胞中酶的活性降低，细胞新陈代谢的速率降低。

动物细胞培养的2个易错点

（1）动物细胞培养时选用幼龄动物组织或胚胎进行细胞培养，因为其分化程度低，增殖能力强，更易于培养。

（2）动物细胞培养时加入CO2的主要作用是维持培养液的pH；O2的作用是促进细胞有氧呼吸。

命题点二　动物体细胞核移植过程的分析

3．如图是某克隆羊培育过程模式图，试分析获得该克隆羊的生殖方式、该克隆羊的基因型以及该克隆羊发育成熟时所分泌的性激素依次是（　　）

A．无性生殖、Aa、雌性激素

B．无性生殖、aa、雄性激素

C．有性生殖、aa、雄性激素

D．有性生殖、AA、雌性激素

答案　B

解析　克隆羊是利用了细胞核移植技术，其生殖方式为无性生殖；该克隆羊继承了B羊的全部的细胞核基因和A羊的细胞质基因，因此其基因型为aa；由于B羊为雄性，因此该克隆羊亦为雄性，故该克隆羊发育成熟时分泌的性激素是雄性激素，故B项正确。

4．克隆羊的成功轰动世界，它不仅奠定了疾病克隆性治疗的基础，又解决了器官移植中供体不足的问题，同时也给人类带来了一些过去尚未遇到的问题。

下图为人类对克隆羊技术的拓展和应用，请据图回答：

（1）图中所涉及的现代生物技术有_______________________________________________

和____________________等。

若让动物1能够产生出人体胰岛素，还需要的技术是________________________________________________________________________。

（2）图中两个克隆动物长大后，各方面特征与雄性动物相同，这说明____________具有全能性。

（3）使用培养基进行胚胎干细胞培养时，培养基中除了加入一些必要的营养成分外，通常要加入____________等天然成分，除了保证被培养细胞处于无菌、无毒及充足氧气的环境中，还需要保证细胞生活所需的____________。

（4）图中“从内细胞团到胚胎干细胞”的培养过程中，一般用____________处理内细胞团，使之分散成单个细胞。

答案　

（1）动物细胞核移植　胚胎移植（或胚胎分割）　基因工程（或DNA重组技术）　

（2）体细胞核　（3）血清、血浆　温度和pH　（4）胰蛋白酶

解析　

（1）将细胞核与去核的卵母细胞构建成重组细胞，采用了动物细胞核移植技术；将重组细胞培养成早期胚胎，采用了早期胚胎培养技术；将早期胚胎移植到代孕母体，采用了胚胎移植技术；从早期胚胎中分离出内细胞团，进而培育成胚胎干细胞，离不开动物细胞培养技术和胚胎干细胞培养技术的支持；早期胚胎分为胚胎1和2，运用了胚胎分割技术。

若让动物1能够产生出人体胰岛素，需要借助基因工程技术将人的胰岛素基因导入相应的受体细胞，进而培育成转基因动物1。

（2）克隆动物的培育成功，说明动物体细胞核具有全能性。

（3）使用培养基进行胚胎干细胞培养时，由于人们对细胞所需的营养物质还没有完全搞清楚，所以培养基中除了加入一些必要的营养成分外，通常要加入血清、血浆等一些天然成分。

除了保证被培养细胞处于无菌、无毒及充足氧气的环境中，还需要保证细胞生活所需的温度和pH。

（4）从“内细胞团到胚胎干细胞”的培养过程中，会出现细胞的“接触抑制”现象，因此常用胰蛋白酶处理内细胞团，使之分散成单个细胞。

动物细胞核移植技术中的3个易错点

（1）动物细胞核移植技术，体现了动物细胞核的全能性而非细胞的全能性。

（2）克隆属于无性繁殖，产生新个体的性别、绝大多数性状与供核亲本一致。

（3）核移植技术获得的动物与供核动物性状不完全相同的原因：

①克隆动物线粒体中的DNA来自去核卵（母）细胞；②性状受环境的影响；③在个体发育过程中有可能发生基因突变。

考点三　动物细胞融合与单克隆抗体的制备

1．动物细胞融合

（1）概念：

两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程，也称细胞杂交。

（2）条件：

需要用聚乙二醇（PEG）、灭活的病毒或电激等诱导因素。

（3）原理：

细胞膜的流动性。

（4）结果：

形成具有原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞，称为杂交细胞。

（5）意义：

突破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能。

成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和生物新品种培育等的重要手段，为制造单克隆抗体开辟了新途径。

深化拓展　植物体细胞杂交与动物细胞融合比较

植物体细胞杂交

动物细胞融合

培养条件

营养物质（水、无机盐、蔗糖、氨基酸和有机酸等）、激素（细胞分裂素、生长素等）及其他条件（无菌、适宜的温度和pH等）

葡萄糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素、血清或血浆等天然成分

细胞融合原理

细胞膜的流动性、细胞的全能性

细胞膜的流动性、细胞增殖

细胞融合方法

用纤维素酶、果胶酶去除细胞壁后诱导原生质体融合

用胰蛋白酶或胶原蛋白酶使细胞分散成单个细胞后，诱导细胞融合

诱导手段

①物理法：

离心、振动、电激等

②化学法：

聚乙二醇（PEG）

①物理、化学法：

与植物体细胞杂交的相同

②生物法：

灭活的病毒

结果

获得杂种植株

获得杂种细胞，以生产细胞产品

用途

克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍

制备单克隆抗体、病毒疫苗、干扰素等

2.单克隆抗体

（1）制备过程

（2）优点：

特异性强、灵敏度高，可大量制备。

（3）用途：

作为诊断试剂；用于治疗疾病和运载药物。

（1）植物原生质体融合与动物细胞融合原理是相同的（　√　）

（2）体细胞杂交技术可用于克隆动物和制备单克隆抗体（　×　）

（3）