最新人教版选修三 211 植物细胞工程的基本技术 学案.docx
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最新人教版选修三211植物细胞工程的基本技术学案
专题2 细胞工程
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]
[核心素养]
1.简述植物组织培养和植物体细胞杂交技术。
2.理解植物组织培养的原理和过程，植物体细胞杂交的原理。
3.尝试进行植物组织培养。
1.科学探究：
结合具体实验，与同学交流讨论，尝试设计植物组织培养技术的流程简图。
2.科学思维：
结合“胡萝卜的组织培养”实验，了解组织培养技术已取得的进展和尚未解决的问题，认同科学是一个不断发展的过程，激发探索科学奥秘的兴趣。
一、细胞工程的概念与分类
原理和方法
应用
细胞生物学和
分子生物学的原理和方法
操作水平
细胞水平或细胞器水平
目的
按照人的意愿来改变细胞内的
遗传物质或获得
细胞产品
分类
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。
2．原理：
细胞内含有本物种的
全套遗传信息。
3．全能性表达条件：
具有完整的细胞结构；处于
离体状态；
无菌操作（防止杂菌污染）；提供一定的营养、激素（主要是
生长素和细胞分裂素等）和其他适宜外界条件。
三、植物组织培养技术
1．理论基础：
植物细胞的全能性。
2．培养对象：
离体的植物器官、组织或细胞。
3．培养条件：
在
无菌和人工控制条件下、人工配制的培养基上、适宜的培养条件。
4．培养结果：
诱导产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。
5．实验：
胡萝卜的组织培养
（1）原理
离体的植物组织、器官、细胞
愈伤组织
胚状体或丛芽→试管苗。
（2）过程
取材：
消毒后选取有
形成层的部位，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．过程
3．意义：
克服了不同生物
远缘杂交的障碍。
1．判断下列叙述的正误。
（1）细胞工程是按照人的意愿来改变细胞的结构或获得细胞产品的一门综合科学技术。
（×）
（2）生物体内的细胞分化和植物组织培养过程中的再分化的实质是一样的，都是基因在特定时间和空间条件下选择性表达的结果。
（√）
（3）脱分化和再分化是植物组织培养的重要过程。
（√）
（4）任何细胞都具有全能性，任何细胞都能表现出全能性。
（×）
（5）植物体细胞杂交技术的最终目的是得到杂种细胞。
（×）
（6）植物体细胞杂交过程中，细胞融合成功的标志是产生新的细胞壁。
（√）
（7）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。
（×）
（8）将基因型为Aa植株的花粉和基因型为Bb植株的花粉，除去细胞壁后，进行原生质体融合（仅考虑两两融合），可以得到6种基因型不同的融合细胞。
（×）
（9）同一株绿色开花植物不同部位的细胞经组织培养获得的愈伤组织基因型不一定相同。
（√）
（10）与传统育种相比，植物体细胞杂交在培育作物新品种方面的重大突破表现在证明杂种细胞具有全能性。
（×）
2．（2019·伊市期末）下列有关植物细胞全能性的叙述，正确的是（ ）
A．植物体只有高度分化的体细胞才具有发育成完整个体的潜能
B．植物体内某些体细胞没有表现出全能性，其原因是所含基因不同
C．植物细胞的全能性是植物体细胞杂交技术的理论基础
D．高度分化的植物细胞随时可能表现出全能性
解析：
选C 植物体的体细胞和生殖细胞都具有发育成完整个体所必需的全部基因，都具有发育成完整个体的潜能，A错误；植物体内某些体细胞没有表现出全能性，其原因是基因的选择性表达，B错误；植物细胞的全能性是植物体细胞杂交技术的理论基础，C正确；高度分化的植物细胞只有在离体的条件下才可能表现出全能性，D错误。
探究点一|植物细胞的全能性
|核心探究|
1．植物细胞具有全能性的原因
一般生物体的每一个细胞都包含有该物种的全套遗传物质，都有发育成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，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，细胞中的基因会选择性表达。
3．不同细胞全能性比较
（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＞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。
4．植物细胞全能性表达所需条件
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
[易错易混]
有关细胞全能性的三点提醒
（1）细胞全能性的标志：
发育成完整个体而不是形成某种组织或者器官。
（2）全套基因≠全部基因：
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。
（3）体内细胞未表现全能性的原因：
基因在特定的时间和空间条件下选择性表达。
|探究演练|
1．植物细胞表现出全能性的条件是（ ）
A．给予适宜的营养和外界条件
B．将成熟筛管的细胞核移植到去核卵细胞中
C．导入其他植物细胞的基因
D．脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件
解析：
选D 未离体的植物细胞进行细胞分裂和分化形成特定的组织或器官，不能表现出全能性。
离体植物细胞不能进行光合作用合成有机物，所以组织培养时应给予适宜的营养，同时在无菌条件下进行。
2．不同细胞的全能性高低不同，下列有关细胞全能性大小的比较正确的是（ ）
A．一般细胞分裂能力越弱，细胞全能性越高
B．一般情况下，干细胞的全能性高于体细胞
C．韧皮部细胞的全能性高于形成层细胞
D．衰老细胞的全能性高于幼嫩细胞
解析：
选B 一般细胞分裂能力越强，其全能性越高，A错误；韧皮部细胞属于成熟细胞，形成层细胞为幼嫩细胞，因此，韧皮部细胞的全能性低于形成层细胞，C错误；一般情况下，干细胞的全能性高于体细胞，幼嫩细胞的全能性高于衰老细胞，B正确，D错误。
3．下列各项关于植物细胞工程的叙述，正确的是（ ）
A．植物细胞只要在离体状态下即可表现出全能性
B．制备原生质体时可利用酶或植物激素去除细胞壁
C．愈伤组织经过细胞的增殖会形成新的植物组织、器官
D．叶肉细胞经脱分化形成愈伤组织离不开植物激素的作用
解析：
选D 植物细胞表现出全能性的前提条件是处于离体状态，同时也需要其他条件配合，如需要一定的营养物质、激素、环境条件等，A错误；制备原生质体时可利用酶去除细胞壁，但植物激素无法去除细胞壁，B错误；愈伤组织形成新的植物组织、器官的过程是分化，而不是增殖，C错误；植物组织培养过程中的脱分化和再分化过程都需要由植物激素诱导，D正确。
探究点二|植物组织培养技术
|核心探究|
1．植物组织培养的相关概念
（1）外植体：
用于植物组织培养的离体的植物器官、组织或细胞。
（2）愈伤组织：
一团没有特定结构和功能并处于旺盛分裂状态的具有分生能力的薄壁细胞。
无叶绿体，不能进行光合作用。
（3）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
分化出根、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．光照
2.植物激素在植物组织培养中的作用
（1）由愈伤组织进行细胞分化时，要先诱导其生芽，然后再诱导生根，可通过控制培养基中生长素和细胞分裂素的比例来实现。
（2）生长素和细胞分裂素用量的比例影响植物细胞的发育方向
生长素用量比细胞分裂素用量
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
促进愈伤组织的形成
（3）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。
（4）按照不同的顺序使用生长素和细胞分裂素，会得到不同的实验结果。
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
3.植物组织培养过程的几点说明
（1）外植体的选择与制备
①选择外植体时，由于外植体脱分化的难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而有很大差异，因此，选择哪些作为外植体应该注意。
一般来讲，烟草、胡萝卜、植物的花和幼嫩的组织脱分化相对较易，而植物的茎、叶和成熟的老组织则较难。
②制备外植体首先要消毒，其次要选取有形成层的部分，因为形成层细胞易脱分化形成愈伤组织。
③用胡萝卜进行植物组织培养时，切取有形成层的部分作为外植体的原因是形成层的细胞具有较强的分裂能力，所以切取有形成层的部分作为外植体进行培养，容易使组织培养获得成功。
（2）严格的无菌条件
植物组织培养要想取得成功，必须有效地防止细菌等的污染，保证培养材料、培养基、培养用具完全无菌。
为了达到这一要求，要在植物组织培养过程中进行一系列的消毒、灭菌，并且需无菌操作。
（3）完全的营养条件
离体的植物细胞失去了植物的自养能力，所以需要为其提供包括水、有机营养、矿质营养、维生素等营养物质。
[易错易混]
植物组织培养的两点提醒
（1）植物组织培养≠植物细胞培养
植物组织培养是把外植体培养成完整的植物体；而植物细胞培养是将外植体培养成大量的细胞群体，以便获得人类所需的细胞次级代谢产物。
（2）影响组织培养的光照条件不仅是光照强度，还有光照时间和波长等都影响植物组织培养。
|探究演练|
4．在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中，下列哪一项条件是不需要的（ ）
A．消毒灭菌 B．适宜的温度
C．充足的光照D．适宜的养料和激素
解析：
选C 形成愈伤组织，需要在消毒灭菌条件下进行，因为只有在消毒灭菌条件下，才能保证培养出的组织细胞不被感染，否则培养基内将长出许多杂菌，与离体细胞争夺营养与生存空间，不能形成愈伤组织。
由于此阶段形成的是未分化的愈伤组织细胞，所以不需要光照。
5．如图是将四倍体兰花的叶片通过植物组织培养形成植株的流程示意图，下列相关叙述正确的是（ ）
A．②阶段会发生减数分裂过程
B．①阶段需要激素，②阶段不需要
C．此过程体现了植物细胞具有全能性
D．以此兰花的花药进行离体培养所得到的植株为二倍体
解析：
选C ②（再分化）阶段产生根、芽是有丝分裂和细胞分化的结果，A错误；①②阶段均需要植物激素的参与，B错误；该过程经植物组织培养发育成了完整植株，体现了植物细胞的全能性，C正确；花药离体培养得到的植株为单倍体，D错误。
6．我国植物学家将名贵兰花的茎尖细胞放进培养基中进行培养，最终发育成完整的新植株。
如图是细胞培养形成兰花植株示意图，请据图回答：
（1）过程③和④分别表示________和________。
需要避光培养的是________（填数字）。
整个过程中细胞的分裂方式是____________。
（2）取新生的茎尖细胞而不选择茎表皮细胞进行培养的两个理由：
①________________；②__________________。
（3）当______________（填培养基种类）中生长素与细胞分裂素的比值偏________（填“大”“小”或“适中”）时，愈伤组织被诱导先生根。
解析：
（1）分析图解，③是由细胞培养到愈伤组织的阶段，属于脱分化，需避光培养；④由愈伤组织培养到胚状体，属于再分化；在植物组织培养过程中细胞分裂方式只有有丝分裂。
（2）茎尖生长点细胞具有分裂能力，全能性高，利于培养；新生细胞没有被细菌病毒感染，容易培养。
（3）愈伤组织要转移到分化培养基上继续培养，加入浓度配比不同的植物激素，诱导其先生根、先生芽或不分化。
当生长素比例高时，愈伤组织会被诱导先生根。
答案：
（1）脱分化 再分化 ③ 有丝分裂
（2）茎尖细胞全能性高 新生细胞无菌无毒 （3）分化培养基 大
探究点三|植物体细胞杂交
|核心探究|
一、植物体细胞杂交
1．原理
植物原生质体融合依据的生物学原理是细胞膜的流动性，植物组织培养的理论基础是细胞的全能性。
2．操作流程
（1）①过程为去除植物细胞的细胞壁获得具有活力的原生质体，常用的方法是酶解法，所用到的酶是纤维素酶和果胶酶。
这样可以获得具有活力的原生质体。
（2）②过程是原生质体间的融合。
该过程必须要借助一定的技术手段进行人工诱导。
人工诱导融合的方法基本上可以分为两大类——物理法和化学法。
物理法包括离心、振动、电激等；化学法一般是用聚乙二醇（PEG）作为诱导剂来诱导细胞融合。
（3）③过程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。
在此过程中融合后的原生质体内活跃的细胞器是高尔基体。
3．优点：
植物体细胞杂交可以克服植物远缘杂交不亲和的障碍，大大扩大了可用于杂交的亲本组合的范围，在培育作物新品种方面具有广阔的前景。
[易错易混]
植物体细胞杂交的四点提醒
（1）生殖方式：
植物体细胞杂交过程属于无性生殖，遗传物质的传递不遵循孟德尔的遗传定律。
（2）筛选原因：
同种植物的原生质体更易融合，不同种植物原生质体的融合需要物理或化学方法诱导。
得到的融合细胞类型有多种，必须经过筛选，才能获得所需要的杂种细胞。
（3）体细胞融合成功以后，不仅有AB型杂种细胞，还能形成AA型和BB型融合细胞，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。
（4）杂种植株遗传物质的变化：
细胞融合的变异原理属于染色体变异，杂种植株细胞的染色体数通常是两个亲本细胞染色体数目之和，即形成的是异源多倍体。
二、植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术
1．植物组织培养和植物体细胞杂交技术
名称
植物组织培养
植物体细胞杂交
原理
细胞的全能性
细胞膜具有一定的流动性和细胞的全能性
过程
注意
事项
①取材：
选取根尖、茎尖、形成层等容易诱导脱分化形成愈伤组织；②光照：
在愈伤组织的诱导阶段往往要避光培养（有利于细胞的脱分化产生愈伤组织）；当愈伤组织分化出芽和叶时，一定要有光照（有利于叶片内叶绿素的合成）
①利用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞的细胞壁获得原生质体；
②人工诱导原生质体融合的方法：
物理法包括离心、振动、电激等；化学法一般用聚乙二醇作诱导剂
应用
（1）繁殖
（2）培育作物新品种
（3）生产细胞产物
克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍，培育出作物新品种
2.植物体细胞杂交过程中杂种细胞类型及检测方法
（1）诱导产物（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：
对诱导产物中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若只表现出一种植物的性状，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若只表现出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。
[易错易混]
（1）植物体细胞杂交离不开植物组织培养；
（2）植物体细胞融合与植物体细胞杂交结束的标志不同：
前者是再生出新的细胞壁，后者是形成杂种植株；
（3）杂种细胞虽然具有两种细胞的遗传物质，但这些遗传物质并不一定都能表达。
|探究演练|
7．下列关于植物体细胞杂交的叙述，错误的是（ ）
A．将不同种的植物体细胞融合形成的细胞称为杂种细胞
B．将不同种的植物细胞融合为杂种细胞并培育成新的植物体的过程属于植物体细胞杂交过程
C．植物体细胞杂交技术可克服不同种植物之间远缘杂交的障碍
D．将两种二倍体植物经植物体细胞杂交技术获得的新植物体仍为二倍体
解析：
选D 将两种二倍体植物经植物体细胞杂交获得的新植物体，不再是二倍体植物了，其含有4个染色体组，应称为（异源）四倍体。
8．（2019·红桥区模拟）通过细胞工程技术，利用二倍体甲、乙两种植物的各自优势，培育高产、耐盐的杂种植株。
下列叙述错误的是（ ）
A．图中A过程可用纤维素酶和果胶酶处理，图中B是融合的原生质体
B．愈伤组织经再分化形成的幼苗C具有高产、耐盐的优良性状
C．选择得到的目的植株，改变了杂种植物群体的基因频率，该植株与甲、乙植物存在生殖隔离
D．若目的植株丢失1条染色体，不能产生正常配子而高度不育，则可用秋水仙素处理幼芽，以获得可育的植株
解析：
选B 图中A过程是获取原生质体，需要去除细胞壁，所以可用纤维素酶和果胶酶处理，图中B是诱导融合的原生质体，A正确；愈伤组织经再分化形成的幼苗C具有耐盐的优良性状，但不一定具有高产的优良性状，还需要进行筛选，B错误；选择得到的目的植株是异源四倍体，筛选改变了杂种植物群体的基因频率，该植株（四倍体）与甲、乙植物（二倍体）属于不同种植物，存在生殖隔离，C正确；若目的植株丢失1条染色体，用秋水仙素处理幼芽，可以使植株的染色体数目加倍，从而获得可育的植株，D正确。
9．（2019·西安模拟）如图是“白菜—甘蓝”的培育过程示意图，据图回答以下问题：
（1）为了得到原生质体需先用____________和________来处理白菜细胞和甘蓝细胞。
（2）诱导原生质体融合的方法有多种，常用的物理方法有___________等，原生质体融合完成的标志是________________________。
（3）通常情况下，白菜和甘蓝有性杂交是不能成功的，原因是___________。
植物体细胞杂交技术和传统杂交技术相比，其优点是_____________________。
解析：
（1）植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，根据酶的专一性原理，可采用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。
（2）诱导原生质体融合的方法包括：
物理方法（离心、振动、电激等）和化学方法（用聚乙二醇作为诱导剂）；原生质体融合完成的标志是杂种细胞再生出新的细胞壁。
（3）通常情况下，由于白菜和甘蓝之间存在生殖隔离，因此白菜和甘蓝有性杂交是不能成功的；植物体细胞杂交技术和传统杂交技术相比，其优点是能够克服远缘杂交不亲和的障碍，培育出作物新品种。
答案：
（1）纤维素酶 果胶酶
（2）离心、振动、电激 杂种细胞再生出新的细胞壁 （3）存在生殖隔离 能够克服远缘杂交不亲和的障碍，培育出作物新品种
课堂小结
|网络构建|
|巩固基础|
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。
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