学年高中生物专题2211植物细胞工程的基本技术教案新人教版选修3.docx
《学年高中生物专题2211植物细胞工程的基本技术教案新人教版选修3.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《学年高中生物专题2211植物细胞工程的基本技术教案新人教版选修3.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
学年高中生物专题2211植物细胞工程的基本技术教案新人教版选修3
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.了解细胞工程的含义。
2.理解植物细胞的全能性。
（重点） 3.掌握植物组织培养技术的过程及用途。
（重点）4.理解植物体细胞杂交技术的过程。
（重点）
一、细胞工程的概念与种类
1．概念
（1）原理和方法：
细胞生物学和分子生物学。
（2）操作水平：
细胞水平或细胞器水平。
（3）目的：
按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品。
2．种类
根据操作对象不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程。
二、植物细胞的全能性
1．概念：
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，也就是说，每个生物细胞都具有全能性的特点。
2．现实表现：
在生物的生长发育过程中，细胞并不会表现出全能性，而是分化成各种组织和器官。
3．影响细胞全能性表现的原因：
在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会有选择性地表达出各种蛋白质，从而构成生物体的不同组织和器官。
4．表达时两个重要的过程
（1）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。
（2）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。
三、植物组织培养技术
1．原理：
植物细胞的全能性。
2．过程：
离体的植物器官、组织、细胞
愈伤组织
胚状体或丛芽―→试管苗。
3．脱分化：
已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。
4．植物组织培养的条件
（1）离体的植物细胞、组织、器官。
（2）无菌和人工控制。
（3）培养在人工制备的培养基上。
（4）给予适宜的培养条件。
5．实验：
胡萝卜的组织培养
（1）原理：
离体的植物器官、组织或细胞
愈伤组织
幼根和芽→完整植物体。
（2）过程：
取材：
消毒后选取根的形成层部位，切取1cm3左右的小块，因为该部位容易诱导形成愈伤组织
↓
接种：
将组织块接种到诱导培养基上，诱导出愈伤组织
↓
培养：
在23～26℃恒温避光条件下培养一段时间，再将愈伤组织转接到分化培养基上培养诱导出试管苗
↓
移栽：
将试管苗移栽到大田，培养成正常植株
四、植物体细胞杂交
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。
3．意义
克服不同种生物远缘杂交的不亲和性。
1．判断对错（正确的打“√”，错误的打“×”）
（1）细胞工程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。
（ ）
（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）在植物组织培养过程中，细胞的遗传物质一般都发生改变。
（ ）
（4）在植物组织培养过程中需要给予光照，以诱导脱分化过程。
（ ）
（5）植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因是细胞壁阻碍了原生质体的融合。
（ ）
提示：
（1）× 细胞工程是通过细胞水平或细胞器水平上的操作，按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质。
（2）× 具有某种生物全部遗传信息的细胞在离体的情况下才能表现出全能性。
（3）× 植物组织培养主要是通过细胞分裂和分化实现的，遗传物质一般不会发生改变。
（4）× 植物组织培养过程中，脱分化过程是要求避光培养的。
（5）√
2．下列关于运用植物组织培养技术产生新个体的叙述，错误的是（ ）
A．属于无性生殖
B．主要理论依据是植物细胞具有全能性
C．培养过程中由于人工培养基含大量营养，不需光照就能发育成完整植株
D．人工培养基中含植物生长发育所需的全部营养物质，包括矿质元素、糖、维生素等
C [植物组织培养属于无性生殖，依据的理论基础为植物细胞的全能性；在培养基中含有植物细胞发育所需要的全部营养物质；组织培养的脱分化阶段不需要光，但是再分化阶段需要光。
]
3．下列有关植物体细胞杂交的叙述，错误的是（ ）
A．有可能把两个植物体的优良性状集中在杂种植株上
B．需要用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁
C．利用聚乙二醇可以促进原生质体融合
D．植物体细胞杂交就是将不同的植物体细胞融合成杂种细胞
D [植物体细胞杂交之前，需要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；进行原生质体间的融合，必须要进行人工诱导，如可用聚乙二醇促进原生质体融合；植物体细胞杂交就是将不同的植物体细胞融合成杂种细胞，并将该杂种细胞培育成新的植物体的技术。
]
植物细胞的全能性
背景材料
1．细胞的全能性
（1）具有全能性的原因：
一般生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质，都有发育成为完整个体所必需的全部基因。
（2）现实体现：
在生物的生长发育过程中，生物体内的细胞并不会表现出全能性，而是分化成各种组织和器官。
这是因为在特定的时间和空间条件下，细胞内的基因会选择性表达。
（3）不同细胞全能性的大小。
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>胚胎干细胞>生殖细胞>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：
随着细胞分化程度的不断提高，细胞的全能性逐渐降低。
2．植物细胞全能性表达所需条件
（1）体细胞未表现全能性的原因：
基因的选择性表达。
（2）体现细胞全能性的条件：
材料
离体的细胞、组织或器官
培养基
种类齐全、比例合适的营养物质及一定的植物激素
外界条件
①无菌操作
②光照：
愈伤组织培养最初避光培养，后期见光培养
特别提醒：
1细胞表达全能性的标志是发育成完整个体而不是形成某种组织或者器官。
2细胞具有全能性是因为细胞中具有发育成完整个体所必需的“全套基因”而不是“全部基因”，配子中有全套基因，因此仍然具有全能性。
1．以下不能说明细胞全能性的实验是（ ）
A．玉米花粉粒培育出植株
B．转入贮存蛋白基因的向日葵细胞培育出植株
C．烧伤病人的健康细胞培养出皮肤
D．胡萝卜的形成层组织培育成胡萝卜幼苗
C [细胞的全能性是指具有某种生物全套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。
玉米花粉粒培育出植株、向日葵细胞培育出植株、胡萝卜的形成层组织培育成胡萝卜幼苗都是全能性的体现，只有C选项没有得到完整个体，不能体现细胞的全能性。
]
2．植物细胞表现出全能性的必要条件和增殖方式分别是（ ）
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
D [植物细胞表现全能性的条件：
①器官、组织或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。
植物细胞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过程，在这两个过程中细胞都是通过有丝分裂方式进行增殖的。
]
植物组织培养技术
[思考交流]
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？
提示：
避免杂菌在上面迅速生长消耗营养，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？
其他部位也能培养成小植株吗？
提示：
胡萝卜根的形成层容易诱导形成愈伤组织，其他部位如叶、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？
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细胞，愈伤组织中不含有叶绿体。
[归纳总结]
1．相关概念辨析
（1）外植体：
离体进行组织培养的植物组织或器官。
（2）胚状体和丛芽：
植物组织离体培养，经过脱分化和再分化，发育成胚状体或丛芽。
胚状体经过生长发育成完整植株；而丛芽还需要诱导生根后才能发育成完整植株。
（3）愈伤组织：
是一团没有特定结构和功能，排列疏松而无规则，高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞团。
（4）脱分化和再分化的比较
比较内容
脱分化
再分化
过程
外植体→愈伤组织
愈伤组织→幼苗
形成体特点
排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞
有根、芽
需要条件
a.离体
b．适宜的营养
c．生长素与细胞分裂素的比例适中
d．不需光
a.离体
b．适宜的营养
c．生长素与细胞分裂素的比例高（低）诱导生根（生芽）
d．需光照
2.植物组织培养的条件
（1）离体、无菌。
（2）环境条件适宜：
如营养物质（水、无机盐、蔗糖、维生素等）、激素（生长素和细胞分裂素）、适宜的温度和光照。
3．胡萝卜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。
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。
（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。
（4）植物激素的作用
生长素与细胞分裂素的比值
作用效果
比值高时
有利于根的分化，抑制芽的形成
比值低时
有利于芽的分化，抑制根的形成
比值适中时
促进愈伤组织形成
1．植物组织培养过程中的脱分化是指（ ）
A．植物体的分生组织通过细胞分裂产生新细胞的过程
B．未成熟的种子经过长期培养，长出幼苗的过程
C．植物的器官、组织或细胞，通过离体培养产生愈伤组织的过程
D．取植物的枝芽培育成一株新植物的过程
C [植物细胞脱分化就是让已分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能，而转变为未分化的细胞——愈伤组织的过程，因此C项是正确的。
]
2．（2019·全国卷Ⅲ）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。
回答下列问题。
（1）利用胡萝卜根段进行组织培养可以形成试管苗。
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）步骤③切取的组织块中要带有形成层，原因是_________。
（3）从步骤⑤到步骤⑥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）步骤⑥要进行照光培养，其作用是__________________。
（5）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。
[答案]
（1）全能性（或答：
形成完整植株所需的全部基因）
（2）形成层容易诱导形成愈伤组织
（3）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 分化（或答：
再分化）
（4）诱导叶绿素的形成，使试管苗能够进行光合作用
（5）遗传特性 无性
植物体细胞杂交
[思考交流]
1．将白菜体细胞和甘蓝体细胞融合时，首先遇到的障碍是什么？
用什么方法可以解除此障碍？
提示：
细胞壁阻碍细胞间的融合。
用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。
2．只考虑两两融合，原生质体A和B可以形成几种融合细胞？
哪种融合细胞才是符合要求的？
提示：
三种。
AB融合细胞才是符合要求的。
3．细胞融合完成的标志与植物体细胞杂交完成的标志相同吗？
为什么？
提示：
不相同。
细胞融合完成的标志是杂种细胞再生出细胞壁，而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。
4．从结果上看杂种植株在遗传上有何特点？
从杂种植株的染色体组成上看属于何种变异？
提示：
（1）遗传物质来自两个亲本，具有双亲的遗传性状。
（2）染色体数目增加，属于染色体数目的变异。
5．从新品种培育的角度分析，植物体细胞杂交技术最大的优点是什么？
提示：
克服了不同种植物远缘杂交的障碍，使不同种植物杂交成为可能。
[归纳总结]
1．植物组织培养和植物体细胞杂交的比较
名称
植物组织培养
植物体细胞杂交
原理
植物细胞的全能性
细胞膜具有一定的流动性和植物细胞的全能性
过程
选材
选取根尖、茎尖、形成层部位最容易诱导脱分化
不同植物细胞融合后形成的杂种细胞
技术
操作
脱分化、再分化等
除脱分化、再分化外，还要用酶解法去除细胞壁，用一定的方法诱导细胞融合
关系
植物组织培养是植物体细胞杂交的基础，植物体细胞杂交所用的技术更复杂
2.植物体细胞杂交过程中的注意事项
（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。
（3）体细胞杂交过程中涉及的遗传知识：
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。
如图所示是利用植物体细胞杂交技术培育新植株的过程，植物细胞A和B分别来源于二倍体植物甲和乙。
下列有关分析正确的是（ ）
A．过程①需要将植物细胞A和B置于含纤维素酶和果胶酶的低渗溶液中
B．过程②要用聚乙二醇等诱导原生质体a、b融合，主要依据的原理是细胞膜具有选择透过性
C．将杂种细胞c培育成新植物体过程中需要根据生长发育进程更换培养基
D．最终得到的植株相对于甲、乙而言发生了染色体数目变异，不可育
C [过程①为去除细胞壁，将植物细胞A和B置于含有纤维素酶和果胶酶的低渗溶液中，去除细胞壁后得到的原生质体易吸水涨破，A错误；过程②用聚乙二醇等诱导原生质体a、b融合，依据的原理是细胞膜的流动性，B错误；将杂种细胞c培育成新植物体过程中，不同的发育阶段需要用不同的培养基，C正确；最终得到的植株相对于甲、乙来说，染色体数目有差异，但由于甲、乙都是二倍体植物，所以理论上得到的杂种植株是可育的，D错误。
]
[课堂小结]
知识网络构建
核心语句归纳
1.植物细胞的全能性是指具有某种生物全部遗传信息的任何细胞，都具有发育成完整生物体的潜能。
2．植物组织培养的原理是植物细胞的全能性，主要过程包括脱分化和再分化。
3．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。
4．植物细胞融合依据的生物学原理是细胞膜的流动性，融合成功的标志是杂种细胞再生出细胞壁。
5．植物体细胞杂交克服了远缘杂交不亲和的障碍。
1．细胞工程技术是一门综合科学技术，下列哪项技术不属于细胞工程（ ）
A．有性杂交 B．体细胞杂交
C．组织培养D．细胞核移植
A [细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平上的操作，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。
生物有性杂交不能单纯按照人的意愿来进行。
]
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
C [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；体内的每一个体细胞（红细胞除外）都是由受精卵通过有丝分裂形成的，都含有发育成完整个体所必需的全部基因，理论上讲都应该具有全能性，但由于细胞分化，基因在不同的细胞中选择性表达，因而体细胞并没有表现出全能性；卵细胞在一定条件下，全能性比体细胞高，但与受精卵不同，卵细胞的分化程度也很高；分化的植物细胞尽管具有全能性，但如果全能性要表达，植物细胞必须在一定条件下进行离体培养。
]
3．下图为植物组织培养过程，有关说法正确的是（ ）
A．实验中②试管细胞全能性最高
B．④试管中培育出的个体都是纯合子
C．①→②的过程需要光照
D．①→④过程培养基保持不变
A [①试管中的组织块经脱分化形成②试管中的愈伤组织，愈伤组织是未分化的细胞，全能性最高；植物组织培养属于无性生殖，不改变基因型，所以产生的个体基因型与母本是相同的，可能是纯合子也可能是杂合子；脱分化形成愈伤组织的过程中需要避光培养，不需要光照；在植物组织培养的不同阶段需要的条件不同，培养基中所含有的物质比例也不同，如生长素和细胞分裂素比例适中时有利于形成愈伤组织，比例高时，有利于根的分化。
]
4．有关传统植物杂交与植物体细胞杂交的比较，正确的是（ ）
A．两者涉及的变异类型依次是基因重组、基因突变
B．两者的操作中都需要使用纤维素酶和果胶酶
C．两项技术培育出的新个体与亲代之间均不存在生殖隔离
D．与传统植物杂交相比，植物体细胞杂交可以克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍
D [传统植物杂交为有性杂交，涉及的变异类型是基因重组；植物体细胞杂交涉及的变异类型是染色体变异，A错误；有性杂交时不需要使用纤维素酶和果胶酶，B错误；植物体细胞杂交获得的新个体与亲代间存在生殖隔离，C错误；有性杂交一般发生在同种之间，而植物体细胞杂交打破了生殖隔离，能克服远缘杂交不亲和的障碍，D正确。
]
5．野生马铃薯品种的植株具有较强的抗病、抗虫、抗盐碱、抗寒能力，但块茎不能食用。
某专家做实验研究，用野生马铃薯与马铃薯的体细胞进行杂交，培育出了生活能力强的杂交系马铃薯。
据图分析回答问题：
（1）①过程植物细胞原生质体的分离需经过酶解，其中“酶解”所用的酶应该包括______________________________________。
（2）②过程需要用到聚乙二醇（PEG），其目的是________。
（3）请用文字和箭头表示出④→⑤技术过程的实验流程：
_____________________________________________________。
由此过程可以看出植物细胞有形成再生组织的可能性，这是_________的表现。
（4）一般在培养基上培养24～48小时后，大部分原生质体已再生出细胞壁。
可以取样，通过____________________实验来鉴别细胞壁是否已经再生。
（5）请说明运用植物体细胞杂交法的最大的好处：
_______________________________________________________
_____________________________________________________。
[解析] 细胞壁主要由纤维素和果胶组成，可以用纤维素酶和果胶酶将其水解。
在细胞融合时常用聚乙二醇作为诱导剂，诱导原生质体融合。
④→⑤是杂种细胞经过脱分化、再分化形成幼苗的过程，这是植物细胞全能性的表现。
有细胞壁的植物细胞可以进行细胞的质壁分离与复原。
植物体细胞杂交不通过有性生殖，故可以克服有性生殖远缘杂交不亲和的障碍，培育出兼有两物种品质的优良物种。
[答案]
（1）纤维素酶、果胶酶
（2）诱导原生质体融合
（3）融合细胞
愈伤组织
幼苗 植物细胞具有全能性
（4）植物细胞的质壁分离与复原
（5）可使本来存在生殖隔离的物种进行杂交，培育出兼有两物种品质的优良物种（或克服了远缘杂交不亲和的障碍）
升级会员 