浙科版生物选修1 第4部分实验11 植物的组织培养.docx

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浙科版生物选修1第4部分实验11植物的组织培养

实验11

植物的组织培养

课　标　解　读

重　点　难　点

1.进行菊花的组织培养。

2.尝试植物激素的应用。

1.植物组织培养中生长素和细胞分裂素的调控。

2.植物组织培养中的无菌操作。

一、植物的组织培养

1．扦插、嫁接、组织培养都是植物无性繁殖的方法。

2．植物组织培养的概念

取一部分植物组织，如叶、芽、茎、根、花瓣或花粉等，在无菌的条件下接种在三角瓶中的琼脂培养基上，给予一定的温度和光照，使之产生愈伤组织，或进而生根发芽。

用花粉经植物组织培养成的植株与由植物营养器官培养成的植株一样吗？

为什么？

【提示】　不一样。

前者属于有性生殖，培养成的是单倍体植株；后者是无性生殖，培养成的植株与原材料植株相同。

3.激素在植物组织培养过程中的作用

（1）培养基中加入的植物激素是生长素和细胞分裂素。

（2）两者的摩尔浓度比决定组织是生根还是生芽。

①细胞分裂素与生长素的比例高时，诱导芽的生成。

②细胞分裂素与生长素的比例大致相等时，愈伤组织继续生长而不分化。

③细胞分裂素与生长素的比例低时，会趋于长根。

4．实验设计的思路

（1）材料：

菊花。

（2）过程：

↓

↓

↓

↓

注意：

实验中使用的生长素是人工合成的萘乙酸（NAA），细胞分裂素也是人工合成的苄基腺嘌呤（BA）。

二、菊花的组织培养实验

1．实验材料

MS培养基、萘乙酸、发芽培养基、生根培养基。

2．实验步骤

（1）组织培养材料的处理

在超净台中，取出一瓶已进行过无菌培养的菊花幼苗，在无菌培养皿上用无菌镊子和无菌解剖刀切成几段，每段上至少有1张叶片。

（2）培养成丛状苗

在酒精灯旁，将每段放入1瓶生芽培养基中，使茎的一部分插入培养基内，盖上封口膜。

每瓶也可放入2～3段幼茎切段。

在日光灯下保持18～25℃的温度培养，每天的光照不少于14.5h。

2～3周后长成健壮的丛状苗。

（3）生根培养

将健壮的丛状苗在无菌条件下一个个转入生根培养基中，在上述条件下继续培养。

（4）瓶外培养

将生根的苗移至草炭土或蛭石中，用玻璃罩或塑料布保持80%以上的湿度，2～3天后打开玻璃罩逐渐降低湿度进行锻炼，直到将罩全部打开处于自然湿度下为止。

（5）移至土中培养

三、实验补充部分

若材料为自然生长的茎，则与上述过程有以下不同：

需要在实验前对自然生长的茎进行处理如下：

先在70%乙醇中浸泡10min，再放入5%次氯酸钠溶液中浸泡5min，然后用另一5%次氯酸钠溶液浸泡5min，最后在超净台中用无菌水清洗，再将茎的切段培养在生芽培养基中。

为什么说无菌技术是植物组织培养能否获得成功的关键？

【提示】　由于植物组织培养所利用的植物材料体积小、抗性差，所以对培养条件的要求较高。

用于植物组织培养的培养基同样适合于某些微生物的生长，如一些细菌、真菌等的生长。

而培养物一旦受到微生物的污染，就会导致实验前功尽弃，因此要进行严格的无菌操作。

植物组织培养的理论基础和基本过程

1．植物组织培养的原理——植物细胞全能性

（1）植物细胞全能性的概念：

高度分化的植物细胞，仍然具有发育成完整植株的潜能。

（2）细胞全能性的物质基础：

生物体的每一个细胞都含有本物种所特有的全套遗传物质，都有发育成完整个体所必需的全套基因。

（3）高度分化的植物细胞全能性表达的条件：

①离体条件；

②无菌操作（防止杂菌污染）；

③适宜物质的诱导和调节（激素主要是生长素、细胞分裂素等）；

④种类齐全、比例适合的营养物质；

⑤温度、酸碱度、光照等条件的控制。

2．植物组织培养的基本过程

愈伤组织

丛状芽

生根―→

（1）植物细胞的脱分化：

由高度分化的植物组织或细胞产生愈伤组织的过程，称为植物细胞的脱分化，或者叫做去分化。

（2）愈伤组织：

原指植物在受伤之后在伤口表面形成的一团薄壁细胞。

在组织培养中，则是指在人工培养基上由外植体通过细胞分裂产生的一团排列疏松而无规则，高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞。

（3）再分化：

脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，可以重新分化成根或芽等器官，这个过程叫做再分化。

（4）植物组织培养中两种关键“激素杠杆”——生长素和细胞分裂素的调节作用

植物激素中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性激素，两种激素号称植物组织培养的“激素杠杆”，两者的摩尔浓度比决定组织是生根，还是生芽。

两者的摩尔浓度比

相关结果

比例适中

促进愈伤组织的生长

生长素＞细胞分裂素

有利于根的形成

生长素＜细胞分裂素

有利于芽的形成

　回答下列有关植物组织培养的问题：

（1）用于植物组织培养的植物材料称为___________________________。

（2）组织培养中的细胞，从分化状态转变为未分化状态的过程称为________。

（3）在再分化阶段所用培养基中，含有植物激素X和植物激素Y。

逐渐改变培养基中这两种植物激素的浓度比，未分化细胞群的变化情况如下图所示。

据图指出两种激素的不同浓度比与形成芽、根、愈伤组织的关系：

①当植物激素X与植物激素Y的浓度比等于1时，

______________________________________________________________；

②______________________________________________________________

______________________________________________________________；

③______________________________________________________________

____________________________________________________________。

（4）若植物激素Y是生长素，在植物组织培养中其主要作用是________________；则植物激素X的名称是________。

（5）生产上用试管苗保留植物的优良性状，其原因是

___________________________________________。

【思路点拨】　

（1）植物组织培养时所取材料称为外植体。

（2）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，称为脱分化。

（3）据图可得当激素X与激素Y的浓度比为1时，未分化的细胞群形成愈伤组织；当激素X与激素Y的浓度比大于1时，未分化的细胞群分化形成芽；当激素X与激素Y的浓度比小于1时，未分化的细胞群分化形成根。

（4）生长素的作用是促进细胞生长、分裂和分化；激素X能促进细胞分裂，是细胞分裂素。

（5）试管苗为无性繁殖，能够保持亲本的一切性状，不发生性状分离。

【答案】　

（1）外植体

（2）去分化（脱分化）

（3）①未分化细胞群经分裂形成愈伤组织　②当植物激素X与植物激素Y的浓度比大于1时，未分化细胞群分化形成芽　③当植物激素X与植物激素Y的浓度比小于1时，未分化细胞群分化形成根

（4）促进细胞的生长（伸长）、分裂和分化　细胞分裂素

（5）组织培养形成试管苗的过程属于无性生殖，后代不发生性状分离

1．植物组织培养的过程如下图所示。

请分析并回答：

愈伤组织

胚状体

植株

（1）愈伤组织是由离体的组织或器官通过A________过程获得的，B、C过程是通过细胞的________实现的。

（2）胚状体根据其来源不同，可以分为“体细胞胚”和“花粉胚”。

①用花药离体培养可获得“花粉胚”，同种植物的花粉胚与体细胞胚在染色体数目上的主要区别是_________________________________________

______________________________________________________________

____________________________________________________________。

②如果用____________处理二倍体植物的花粉胚，能获得可育的植株，该过程是________育种中不可缺少的步骤。

③在一定条件下培养离体细胞可以形成体细胞胚进而发育成完整的植株，其根本原因是每个细胞都含有____________，这一过程体现了____________________________________________________________。

【解析】　此题考查植物组织培养的过程。

离体的组织或器官首先脱分化形成愈伤组织。

胚状体经过细胞分裂和分化形成植株。

花粉胚是花药经组织培养形成的，体细胞胚是体细胞经组织培养形成的。

花药组织培养得到的花粉胚发育成的是单倍体，是不育的，用秋水仙素处理染色体加倍后成为可育植株。

植物组织培养的原理是植物细胞的全能性。

【答案】　

（1）脱分化　分裂（或“增殖”）和分化

（2）①花粉胚细胞中的染色体数目是体细胞胚的一半　②秋水仙素　单倍体　③本物种的全套基因（或“全套遗传信息”）　植物细胞的全能性

影响植物组织培养的因素

1.培养材料自身因素的影响——内因

（1）不同的植物组织，培养的难易程度差别很大。

例如，烟草和胡萝卜的组织培养较为容易，而枸杞愈伤组织的芽诱导就比较难。

因此，植物材料的选择直接关系到实验的成败。

（2）对于同一种植物材料，材料的年龄、保存时间的长短等也会影响实验结果，如：

生长旺盛的嫩枝生理状况好，容易诱导脱分化和再分化。

2．营养条件的影响

离体的植物组织和细胞，对营养条件的要求相对特殊，需要配制适宜的培养基——常用的一种培养基是MS培养基，其主要成分包括：

大量元素，如N、P、K、Ca、Mg、S；微量元素，如B、Mn、Cu、Zn、Fe、Mo、I、Co；有机物，如甘氨酸、烟酸、肌醇、维生素、以及蔗糖等。

在配制好的MS培养基中，常常需要添加植物激素，特别是生长素与细胞分裂素，且两种植物激素的使用顺序与浓度配比均可直接影响细胞脱分化与再分化状况。

3．环境条件的影响

（1）温度

温度是植物组织培养中成功的重要条件。

①最适温度：

在植物组织培养中大多采用最适温度，并保持恒温培养，以加速生长。

通常采用25±2℃的温度，对大多数植物来讲是合适的，但也因种类而异，例如进行菊花组织培养，一般将温度控制在18℃～25℃。

②温度预处理的影响：

在植物组织培养以前先对培养材料进行低温或高温处理，往往有促进生长的作用，因此，常在培养实践中采用低温预处理。

胡萝卜切片在4℃下处理16～32min，比未处理的生长得快。

天竺葵茎尖在10℃低温下处理1～4周，可大大提高茎尖繁殖数量。

（2）光照

组织培养中光照也是重要条件，它对生长和分化有很大影响。

培养菊花的光照强度为1000～4000Lux，每天光照不少于14.5h。

（3）pH

培养基中的pH也是制约组织培养是否成功的重要因素，不同外植体对pH要求不尽相同，进行菊花的组织培养pH宜控制在5.8左右。

4．能源和渗透压

通常植物本身进行光合作用产生糖类，不需要从外部供给糖，但在植物组织培养进行异养的状况下，大多不能进行光合作用来合成糖类，因此必须在培养基中添加糖，作为碳素来源和能量物质，同时糖对保持培养基的渗透压（一般需维持在1.5×105～4.1×105Pa）也有重要作用。

5．无菌技术是植物组织培养成功的关键

无菌技术是植物组织培养成功的关键。

原因是：

植物组织培养不同于扦插、分根、叶插等常规无性繁殖。

由于植物组织培养所利用的植物材料体积小、抗性差，所以对培养条件的要求较高。

用于植物组织培养的培养基同样适合于某些微生物的生长，如一些细菌、真菌等的生长。

而培养物一旦受到微生物的污染，就会导致实验前功尽弃，因此要进行严格的无菌操作。

无菌技术包括培养基灭菌和植物材料（外植体）的消毒。

对培养材料进行表面消毒时，一方面要考虑药剂的消毒效果；另一方面还要考虑植物材料的耐受能力。

不同药剂、不同植物材料，甚至不同器官要区别对待。

　影响植物组织培养的因素包括（　　）

①培养基的配制　②外植体的选取　③激素的运用　④消毒　⑤温度、pH、光照

A．①②③④⑤B．①②③

C．①②③④D．①②③⑤

【思路点拨】　进行植物组织培养，对培养条件要求相当严格需要配制适宜培养基。

外植体的脱分化因植物种类、器官来源及其生理状态的不同而有很大差别。

另外在培养过程中需要无菌操作及适宜的温度、pH、光照等条件。

【答案】　A

2．无菌技术是植物组织培养能否获得成功的关键，以下说法正确的是（　　）

①由于植物组织培养所利用的植物材料体积小、抗性差，对无菌操作的要求非常严格　②对培养基及器械用高压蒸汽灭菌　③对培养材料进行表面消毒时，一方面要考虑药剂的消毒效果，另一方面还要考虑植物材料的耐受能力　④培养中不同药剂、不同植物材料，甚至不同器官要区别对待　⑤对培养材料可用高压蒸汽灭菌　⑥如果不小心引起污染，将可能造成培养工作前功尽弃

A．①②③④⑤B．①②③④

C．①②③④⑥D．①②③④⑤⑥

【解析】　对培养材料用高压蒸汽灭菌会杀死细胞。

【答案】　C

尝试菊花的组织培养

1.配制三种培养基

（1）MS培养基

MS培养基由大量元素、微量元素和有机成分组成，也可将大量元素、微量元素和有机成分分别配成浓度为配方的5～10倍的母液，用时稀释。

（2）发芽培养基

3000mLMS培养基＋含1.5mgBA的溶液＋含0.02mgNAA的溶液＋30g蔗糖＋40g琼脂，再加蒸馏水至4000mL，混合均匀、加热、分装、加封口膜后，1kg压力下灭菌20min。

（3）生根培养基

1000mLMS培养基＋含0.38mgNAA的溶液＋30g蔗糖＋20g琼脂，再加蒸馏水至2000mL，混合均匀，加热、分装，1kg压力下灭菌20min。

2．溶解两种植物激素

（1）用少量0.1mol/LNaOH溶解萘乙酸（人工合成的生长素类似物NAA）。

（2）用少量0.1mol/LHCl溶解苄基腺嘌呤（人工合成的细胞分裂素BA）（以上两种植物激素也可制成母液于冰箱中保存）。

3．进行菊花茎段组织培养

①胚状体是离体的细胞经组织培养形成的与胚非常相似的结构。

例如：

花药中花粉

胚状体

丛芽

生根

移栽。

②在植物培养过程中，一般情况脱分化不需要光，再分化需要光；特殊情况，整个过程都需要光，例如：

菊花的组织培养。

　请回答下列有关植物组织培养的几个问题：

（1）离体植物组织和细胞培养常用的一种培养基是________，其主要成分中的大量元素有________，培养中常用的两种植物激素是________和________，两者使用时的________、________、________等，都会影响实验的结果。

（2）利用无菌苗植物组织培养的一般步骤为_________________________

____________________________________________________________。

若所使用的外植体来自自然生长的植株，则可将材料先置于________中浸泡10min再放入________溶液中浸泡5min，然后再次放于另一该浓度溶液中浸泡5min，最后用________冲洗，将切段培养在________培养基中。

（3）下图表示植物组织培养的部分过程：

①过程是________，②过程是________，A是________。

（4）组织培养过程中还需要维持一定的外界条件，一是要有适宜的________；二是________。

【思路点拨】　进行植物组织培养常使用MS培养基，其主要成分包括植物生长所必需的大量元素、微量元素，有机成分等，进行植物组织培养顺序包括配制MS培养基及生根、生芽培养基，接种外植体、转接培养、移栽锻炼及栽培等。

【答案】　

（1）MS培养基　N、P、K、Ca、Mg、S　生长素

细胞分裂素　浓度　使用的先后顺序　用量的比例

（2）制备MS固体培养基和生芽培养基、生根培养基；接种外植体；培养；移栽锻炼；栽培　70%乙醇　5%次氯酸钠　无菌水　生芽

（3）脱分化　再分化　愈伤组织

（4）温度　无菌（环境）

3．菊花的组织培养的大致过程如下图所示。

请回答下列问题：

（1）外植体的消毒：

选取生长旺盛的嫩枝，冲洗干净。

用无菌吸水纸吸干外植体表面的水分，放入体积分数为70%的________中浸泡10min，再放入5%的________中浸泡5min两次，最后在________中用________清洗。

（2）菊花组织培养过程中，启动细胞分裂、B____________（填名称）、再分化的关键激素是____________。

通过B过程产生的愈伤组织细胞与枝条韧皮部细胞形态结构________（填“相同”或“不同”），其根本原因是___________

______________________________________________________________。

（3）该实验操作成功的关键是____________，所以要对外植体、超净工作台等消毒，对________等灭菌，实验操作过程都要在______________旁进行。

试管幼苗的获得证明菊花体细胞具有________性。

【解析】　本题主要考查选修1生物技术实践中关于菊花的组织培养。

菊花的组织培养过程中外植体的消毒过程是选取生长旺盛的嫩枝，冲洗干净。

用无菌吸水纸吸干外植体表面的水分，放入体积分数为70%的酒精中浸泡消毒，再用5%的次氯酸钠溶解浸泡消毒，最后在超净台中用无菌水清洗掉消毒液。

菊花组织培养过程中，启动细胞分裂、B脱分化、再分化的关键激素是细胞分裂素、生长素。

通过B过程产生的愈伤组织细胞与枝条韧皮部细胞形态结构不同，其根本原因是基因选择性表达。

该实验操作成功的关键是无菌技术，所以要对外植体、超净工作台等消毒，对培养基或培养器具等灭菌，实验操作过程都要在酒精灯的火焰旁进行。

试管幼苗的获得证明菊花体细胞具有全能性。

【答案】　

（1）酒精　次氯酸钠溶液　超净台　无菌水

（2）脱分化　细胞分裂素、生长素　不同　基因选择性表达

（3）无菌操作或无菌技术　培养基或培养器具　酒精灯的火焰　全能

1．进行植物组织培养时，培养基中加入生长素与细胞分裂素，两者的摩尔浓度比决定组织是生根还是生芽，则生长素/细胞分裂素比例高、比例低及摩尔浓度相等时分别有利于（　　）

A．生根、生芽、愈伤组织继续生长不分化

B．生芽、生根、愈伤组织继续生长不分化

C．愈伤组织继续生长不分化、生根、生芽

D．愈伤组织继续生长不分化、生芽、生根

【解析】　两种激素的摩尔浓度比相等时，愈伤组织生长不分化。

生长素＞细胞分裂素时，有利于生根。

生长素＜细胞分裂素时，有利于生芽。

【答案】　A

2．植物组织培养和微生物培养都需要无菌操作，下列不适宜用高压蒸汽灭菌的是（　　）

A．接种环和镊子

B．三角瓶和广口瓶

C．发芽培养基和生根培养基

D．用于培养的幼茎和幼芽

【解析】　适宜用高压蒸汽灭菌的是培养基和培养器具。

培养的幼茎和幼芽应用70%的酒精和5%的次氯酸钠进行消毒。

【答案】　D

3．在菊花的组织培养操作完成了3～4天后，观察同一温室中的外植体，发现有的瓶内外植体正常生长，有的瓶内外植体死亡，你认为外植体死亡的原因不可能是（　　）

A．培养条件，比如pH、温度等不适宜

B．接种时外植体未灭菌

C．接种工具灼烧后未待冷却就接种外植体

D．将外植体倒插入培养基中

【解析】　同一温室中的外植体有正常生长的，因此排除pH和温度条件不适宜的可能。

【答案】　A

4．下列与菊花茎段组织培养相关的叙述正确的是（　　）

A．培养过程中涉及三种培养基，MS培养基适于形成愈伤组织，然后依次转入生根及生芽培养基中培养

B．可在一种培养基中完成全部培养过程

C．外植体只可来自通过无菌培养的菊花幼苗，不能取自天然生长的菊花植株

D．外植体可选自天然生长的菊花植株，但须对其进行消毒处理

【解析】　在组织培养过程中愈伤组织应先转入生芽培养基再转入生根培养基。

组织培养过程中用到三种培养基，不能在一种培养基上完成培养的全部过程。

外植体既可来自通过无菌培养的菊花幼苗，也可取自天然生长的菊花植株。

【答案】　D

5．下面是有关植物组织培养的问题，请回答：

（1）MS培养基是植物组织培养常用的培养基，其母液由大量元素、微量元素和________组成。

培养基中苄基腺嘌呤/萘乙酸的摩尔浓度比决定了组织的分化方向，比值低时促进________的生长，比值高时促进________的生长。

（2）植物组织培养的主要理论依据是________。

A．单细胞可进行繁殖

B．植物细胞具全能性

C．植物可在试管中培养

D．能快速培育花卉

（3）污染是组织培养过程中常见问题，用自然生长的菊花茎进行组织培养，需用70%的________和5%的次氯酸钠溶液对菊花茎浸泡，最后在________中用无菌水清洗。

操作中镊子要用____________处理，防止带菌。

为确定污染来自培养基灭菌不彻底还是接种污染，可设置__________________________对照。

【解析】　苄基腺嘌呤是人工合成的细胞分裂素类似物，萘乙酸是人工合成的生长素类似物。

【答案】　

（1）有机物　根　芽

（2）B　（3）乙醇　超净台　酒精灯灼烧　经过灭菌但未接种的培养基