第1節(jié)第1課時植物細胞工程的基本技術

解讀章首圖文培養(yǎng)學習志向·勇?lián)鐣熑卧谌粘Ｉ钪?，很多學生接觸過以克隆為題材的書籍、科幻電影等，他們一定對相關的原理和技術步驟充滿了好奇。本章的章引言通過創(chuàng)設我國科學家成功培育克隆猴“中中”和“華華”的情境，把學生帶入細胞工程的高科技領域。由情境提出的問題“你知道它們是如何培育出來的嗎？”正是學生感興趣的地方，可以促使他們主動學習、尋找答案。另外兩個問題同樣啟發(fā)學生思考，并且指向了這項凝聚著我國科學家智慧與汗水的研究成果的重要意義，力圖使學生在學習知識的同時，也接受愛國主義教育。章題圖是“中中”和“華華”的照片。兩只俏皮可愛的小猴，讓整個情境鮮活起來，拉近了它與學生的距離。章首頁的下方是細胞工程的定義。理清本章架構初識概念體系·具備系統(tǒng)思維第1節(jié)

植物細胞工程第1課時植物細胞工程的基本技術學有目標——課標要求必明記在平時——核心語句必背1.概述植物組織培養(yǎng)的原理和過程。2.概述植物體細胞雜交技術的原理和過程。3.嘗試進行植物組織培養(yǎng)。1.細胞經分裂和分化后，仍然具有產生完整生物體或分化成其他各種細胞的潛能。2.植物組織培養(yǎng)的原理是植物細胞的全能性，主要過程包括脫分化和再分化。3.生長素和細胞分裂素是啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵激素。4.植物組織培養(yǎng)成功的關鍵是避免微生物的污染，所有實驗用具要嚴格滅菌，接種過程進行嚴格的無菌操作。[主干知識梳理]一、植物細胞的全能性1．概念：細胞經分裂和分化后，仍然具有_________________或____________________的潛能。2．生長發(fā)育過程中細胞沒有表現(xiàn)全能性的原因在特定的時間和空間條件下，細胞中的基因會

。產生完整生物體分化成其他各種細胞選擇性地表達二、植物組織培養(yǎng)技術1．概念：將

的植物器官、組織或細胞等，培養(yǎng)在

上，給予適宜的培養(yǎng)條件，誘導其形成

的技術。2．全能性表達過程(1)脫分化：已經分化的細胞經過誘導后，失去其特有的

，轉變成未分化細胞的過程。(2)再分化：脫分化產生的__________，在一定的培養(yǎng)條件下，重新分化成

，進而發(fā)育成完整的小植株。(3)激素的作用：植物激素中

和

是啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵激素。離體人工配制的培養(yǎng)基完整植株結構和功能愈傷組織芽、根等器官生長素細胞分裂素3．組織培養(yǎng)操作流程三、植物體細胞雜交技術1．概念：將

的植物體細胞，在一定條件下融合成

，并把雜種細胞培育成

的技術。2．過程不同來源雜種細胞新植物體(1)去壁：用

去除植物細胞壁，獲得原生質體。(2)誘導原生質體融合的方法。①物理法：

法、

法等。②化學法：

融合法、

融合法等。3．意義：打破生殖隔離，實現(xiàn)

育種，培育植物新品種。纖維素酶和果膠酶電融合離心聚乙二醇(PEG)高Ca2＋-高pH遠緣雜交[邊角知識發(fā)掘]1．(教材第35頁圖2-1拓展訓練)觀察植物組織培養(yǎng)流程圖，將①～④序號填寫在圖中A～D所指的空格處。①誘導生根②接種外植體③誘導愈傷組織

④誘導生芽提示：A.②

B．③

C．④

D．①2．(教材第38頁“練習與應用”1題拓展訓練)下圖是利用甲、乙兩種植物的各自優(yōu)勢，通過植物細胞工程技術培育高產、耐鹽的雜種植株的實驗流程圖。(1)圖中a、b、c、d分別表示什么？提示：a表示用纖維素酶和果膠酶處理植物細胞；b表示誘導融合后得到的雜種細胞；c表示培養(yǎng)后得到的具有耐鹽性狀的幼芽；d表示要將植株種在高鹽環(huán)境中進行選擇。(2)由c形成植株的過程利用了_____________技術，形成愈傷組織需要經過__________過程，愈傷組織形成c需要經過

過程。(3)植物體細胞融合成功的標志是

。植物組織培養(yǎng)脫分化再分化雜種細胞再生出細胞壁[教材問題提示]探究·實踐(教材第36～37頁“結果分析與評價”)1．用于植物組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基同樣適合某些微生物的生長，如一些細菌、真菌等。培養(yǎng)物一旦受到微生物的污染，就會導致實驗前功盡棄，因此接種過程要進行嚴格的無菌操作。導致外植體被污染的原因可能有培養(yǎng)基、接種工具滅菌不徹底；外植體消毒不徹底；操作過程不符合無菌操作的要求等。2．觀察實驗結果，看看是否培養(yǎng)出了愈傷組織，記錄多長時間長出了愈傷組織。從剛接種的外植體到長出愈傷組織一般需要2周左右的時間。統(tǒng)計更換培養(yǎng)基后愈傷組織進一步分化成芽和根的比例及時間。3．做好統(tǒng)計和對照，填好結果記錄表，培養(yǎng)嚴謹的科學態(tài)度。從實驗的第一步開始就要做好實驗記錄，可以分組配制不同的培養(yǎng)基，如誘導愈傷組織的培養(yǎng)基、誘導生芽的培養(yǎng)基等，還可以進行不同配方的比較。4．新移栽的組培苗要在溫室過渡幾天，待其長壯后再移植到大田或盆中?？梢栽谡n后統(tǒng)計移栽的成活率，看看移栽是否合格。2．在植物組織培養(yǎng)過程中，為什么要進行一系列的消毒、滅菌，并且要求無菌操作？提示：避免雜菌在培養(yǎng)基上迅速生長消耗營養(yǎng)，且有些雜菌會危害培養(yǎng)物的生長。3．在組織培養(yǎng)過程中，誘導愈傷組織的培養(yǎng)基、誘導生芽的培養(yǎng)基和誘導生根的培養(yǎng)基的成分有什么不同？提示：三種培養(yǎng)基成分中生長素和細胞分裂素用量的比例不同。4．誘導愈傷組織期間一般不需要光，后續(xù)培養(yǎng)過程中，為什么每日要給予適當時間和強度的光照？提示：后續(xù)培養(yǎng)過程中，給予適當時間和強度的光照的目的是誘導葉綠素的形成，進一步形成葉綠體進行光合作用。5．若培養(yǎng)物取自植物的幼莖、葉片等含有葉綠體的部位，愈傷組織中是否會含有葉綠體？提示：培養(yǎng)物經過誘導后，失去其特有的結構和功能而轉變成未分化的細胞，所以愈傷組織中不含有葉綠體。[師說重難]

一、植物細胞的全能性1．細胞具有全能性的原因一般生物體的每一個細胞都包含該物種所特有的全套遺傳物質，都具有發(fā)育成為完整生物體或分化成其他各種細胞的潛能。2．細胞全能性大小的比較(1)植物細胞>動物細胞(動物細胞只有細胞核具有全能性)。(2)受精卵>生殖細胞(精子、卵細胞)>體細胞。(3)體細胞：分化程度低的>分化程度高的，細胞分裂能力強的>細胞分裂能力弱的，幼嫩的細胞>衰老的細胞。3．植物細胞表現(xiàn)全能性的條件(1)離體狀態(tài)：器官、組織或細胞。(2)營養(yǎng)物質：種類齊全、比例合適。(3)植物激素：生長素、細胞分裂素。(4)外界條件：適宜的溫度、pH和光照(愈傷組織的形成和生長需要避光培養(yǎng)，分化培養(yǎng)需照光)等。(5)無菌操作。二、植物組織培養(yǎng)1．植物組織培養(yǎng)的過程(1)外植體：用于植物組織培養(yǎng)的離體的植物器官、組織或細胞。(2)脫分化：已經分化的細胞，經過誘導，失去其特有的結構和功能，轉變成未分化的細胞的過程。(3)愈傷組織：細胞排列疏松且無規(guī)則、高度液泡化、呈無定形狀態(tài)的薄壁細胞團。(4)再分化：脫分化產生的愈傷組織重新分化成根、芽等器官的過程。2．植物組織培養(yǎng)技術的注意事項(1)外植體的選擇與制備①外植體的選擇：外植體脫分化的難易程度因植物種類、器官來源及生理狀況的不同而不同。一般來說，植物的花和幼嫩的組織脫分化相對比較容易，而植物的莖、葉和成熟的組織脫分化較難。②制備外植體首先要消毒，其次要選取有形成層的部分，因為形成層細胞易脫分化。(2)無菌操作植物組織培養(yǎng)成功的關鍵是避免微生物的污染，所有實驗用具要嚴格滅菌，接種過程要進行嚴格的無菌操作。(3)光照的控制對于植物組織培養(yǎng)來說，光照條件非常重要。在愈傷組織的誘導階段往往要避光培養(yǎng)，有利于細胞脫分化產生愈傷組織(如果是在光照條件下，容易分化產生維管等組織，不利于產生大量的愈傷組織)；當愈傷組織分化出芽和葉時，一定要有光照，有利于葉片內葉綠素的合成。(4)植物激素的使用生長素和細胞分裂素是啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵性激素，兩類激素的濃度及用量的比例等都會影響實驗結果。(三)菊花的組織培養(yǎng)實驗結果分析與評價1．選材是否恰當(1)年齡：一般情況下，外植體的年齡越小，分化的程度越低，組織培養(yǎng)的成功率就越高。因此，盡量選擇幼嫩的植物組織或器官作為外植體。(2)大?。和庵搀w過小或過大都不合適，過小的外植體極容易死亡，過大的外植體不容易消毒。因此，要選擇大小適中的外植體。(3)所在部位：一般選擇植物的芽尖、根尖或幼嫩的莖作為外植體，這些部位的組織細胞分裂能力強，容易形成愈傷組織。2．無菌技術是否過關無菌技術是植物組織培養(yǎng)獲得成功的關鍵。植物組織培養(yǎng)中的無菌技術包括培養(yǎng)基的滅菌、外植體的消毒及接種過程的無菌操作等。3．是否設置對照組和重復組(1)通過設置重復組和對照組可以選出最佳的實驗材料、最合適的培養(yǎng)基配方，也可以找出實驗失敗的原因。如設置對照實驗時可以取一個經過滅菌的裝有培養(yǎng)基的錐形瓶，與接種后的錐形瓶一同培養(yǎng)，用以說明培養(yǎng)基配制是否合格，有沒有被雜菌污染。(2)不同組的同學可以設置不同濃度的植物激素，比較植物生長的速度。4．對接種操作中污染情況的分析污染種類細菌污染真菌污染污染原因可能是操作人員造成的，如未戴口罩、接種時說話、手消毒或器械滅菌不徹底等可能是植物材料消毒不當引起的處理措施將被污染的培養(yǎng)瓶統(tǒng)一放在高壓蒸汽滅菌鍋內進行滅菌，然后再打開培養(yǎng)瓶進行清理[在應用中悟][典例1]植物細胞表現(xiàn)出全能性的必要條件和增殖方式分別是 (

)A．脫離母體后，給予適宜的營養(yǎng)和外界條件；減數分裂B．導入其他植物細胞的基因；有絲分裂C．將成熟篩管的細胞核移植到去核的卵細胞內；減數分裂D．脫離母體后，給予適宜的營養(yǎng)和外界條件；有絲分裂[解析]植物細胞表現(xiàn)全能性的條件：①離體的器官、組織或細胞和適宜的外界條件；②一定的營養(yǎng)(無機、有機成分)和植物激素。植物細胞經組織培養(yǎng)形成植物體，包括脫分化和再分化兩個重要的過程，在這兩個過程中細胞都是通過有絲分裂方式進行增殖的。[答案]

D[典例2]下面是植物組織培養(yǎng)過程示意圖，下列相關說法正確的是 (

)

A．上述植物組織培養(yǎng)過程依據的生物學原理是植物細胞具有全能性B．需要對外植體進行嚴格的滅菌處理，以防止雜菌污染C．外植體若是月季的花藥，則圖中的①過程需要光照D．外植體若是菊花的根尖組織，因細胞中沒有葉綠體，故培養(yǎng)成的新植株葉片無色[解析]植物組織培養(yǎng)依據的原理是植物細胞具有全能性，A正確；外植體一般只消毒，不進行滅菌處理，以保持外植體的活性，B錯誤；①過程是脫分化過程，月季花藥的脫分化過程不需要光照且應避光培養(yǎng)，當愈傷組織分化出芽和葉時才需要光照，C錯誤；菊花根尖組織中含有控制葉綠體形成的基因，在培養(yǎng)過程中，基因的選擇性表達會使培養(yǎng)成的新植株葉片呈綠色，D錯誤。[答案]

A[名師點睛]植物激素對組織培養(yǎng)的影響(1)由愈傷組織進行細胞分化時，一般要先誘導其生芽，然后誘導其生根，可通過控制培養(yǎng)基中生長素和細胞分裂素用量的比例來實現(xiàn)。(2)生長素和細胞分裂素用量的比例影響植物細胞的發(fā)育方向。生長素用量/細胞分裂素用量結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，抑制根的形成比值適中促進愈傷組織的形成[在訓練中評]1．下列有關菊花組織培養(yǎng)的敘述，錯誤的是 (

)A．外植體一般選自于未開花植株的莖上部新萌生的嫩枝B．為充分利用培養(yǎng)條件，每個錐形瓶可接種6～8個外植體C．培養(yǎng)形成的愈傷組織可繼續(xù)在原培養(yǎng)基中分化形成植株D．外植體接種前常進行流水沖洗、酒精處理、消毒液處理等消毒措施解析：在以快速繁殖為主要目的時，菊花未開花植株的莖上部新萌生的側枝是最為常用的外植體，因為該處細胞分裂能力強、分化程度低，全能性容易表達，A正確；為充分利用培養(yǎng)條件，每個錐形瓶可接種6～8個外植體，接種后，將封口膜重新扎好，B正確；培養(yǎng)形成的愈傷組織需要轉移到分化培養(yǎng)基中才能再分化后形成植株，C錯誤；外植體接種前常進行流水沖洗、酒精處理、消毒液處理等消毒措施，為了避免酒精和消毒液的危害，需要用無菌水沖洗2～3次，D正確。答案：C

2．下圖為煙草植物組織培養(yǎng)過程。有關敘述正確的是 (

)

A．對過程①獲取的根組織塊應做較徹底的滅菌處理B．過程②應使用適宜的培養(yǎng)基，在有光環(huán)境中進行C．過程③發(fā)生脫分化，其實質是基因的選擇性表達D．從根組織塊到幼苗形成的過程說明植物根細胞具有全能性解析：植物組織培養(yǎng)技術應在無菌條件下進行，過程①為獲取外植體，所以對過程①應做消毒處理，而徹底滅菌會導致組織細胞死亡，A錯誤；過程②為脫分化，需要避光，而再分化過程需要光照，B錯誤；過程③表示再分化，C錯誤；由植物細胞到完整個體的過程能說明植物細胞具有全能性，D正確。答案：D

3．菊花的組織培養(yǎng)需要嚴格的無菌操作，下列說法錯誤的是 (

)A．對菊花莖段進行組織培養(yǎng)，不用添加植物激素B．幼苗要先移植到消過毒的蛭石或者珍珠巖等環(huán)境下生活一段時間C．材料的年齡、保存時間的長短等都會影響植物組織培養(yǎng)的效果D．將菊花莖段插入時應注意方向，不應倒插解析：對菊花莖段進行組織培養(yǎng)時，需要添加植物激素，如生長素、細胞分裂素，A錯誤；植物組織培養(yǎng)形成的幼苗光合能力較弱，需先移植到消過毒的蛭石或者珍珠巖等環(huán)境下生活一段時間，再移栽到土壤，B正確；植物材料的選擇直接關系到實驗的成功與否，材料的年齡、保存時間的長短等都會影響植物組織培養(yǎng)的效果，C正確；將菊花莖段插入時應注意方向，不應倒插，因為生長素是極性運輸的，正向插入可提高幼苗的成活率，D正確。答案：A

[師說重難]

一、植物體細胞雜交1．植物體細胞雜交的原理原生質體融合的過程利用了細胞膜的流動性，雜種細胞發(fā)育成雜種植株利用了植物細胞的全能性。2．植物組織培養(yǎng)和植物體細胞雜交的比較名稱植物組織培養(yǎng)植物體細胞雜交原理植物細胞的全能性細胞膜具有一定的流動性和植物細胞的全能性過程選材選取根尖、莖尖等幼嫩部位不同植物體細胞技術操作脫分化、再分化等除脫分化、再分化外，還要用酶解法去除細胞壁，用一定的方法誘導細胞融合關系植物組織培養(yǎng)是植物體細胞雜交的基礎，植物體細胞雜交所用的技術更復雜續(xù)表二、有關植物體細胞雜交的幾點說明1．植物體細胞融合的障礙：細胞壁。可以用纖維素酶和果膠酶去除。2．植物體細胞融合成功的標志：產生新的細胞壁。在此過程中高爾基體與細胞壁的形成有關，同時該過程還需要線粒體提供能量。3．植物體細胞雜交的結果：產生新的植株。4．融合后的雜種細胞篩選假設用于雜交的兩種植物細胞分別為A、B，則誘導融合后的產物有三類：未融合的細胞(A和B)；兩兩融合的細胞(AA、BB和AB)；多細胞融合體。兩兩融合的細胞中，只有AB型細胞是我們需要的雜種細胞，所以要進行篩選。5．植物體細胞雜交的生殖方式：無性生殖。6．遺傳物質的變化：經植物體細胞雜交形成的雜種細胞雖然具有兩種細胞的遺傳物質，但這些遺傳物質并不一定都能表達。其遺傳物質的傳遞不遵循孟德爾遺傳規(guī)律。[在應用中悟][典例1]下面為“番茄—馬鈴薯”的培育過程示意圖，下列有關敘述正確的是

(

)A．獲得a、b細胞需要胰蛋白酶和果膠酶B．誘導a、b細胞融合的化學試劑一般用秋水仙素C．a、b細胞融合為c細胞的原理是細胞膜具有流動性D．d、e、f過程表示植物的組織培養(yǎng)過程，e、f分別為脫分化和再分化[解析]

在進行植物體細胞在雜交之前，必須先利用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁，獲得具有活力的原生質體，A錯誤；a、b細胞融合為c細胞的原理是細胞膜具有一定的流動性，誘導a、b細胞融合的化學試劑一般是聚乙二醇，C正確，B錯誤；d、e分別為脫分化和再分化，D錯誤。[答案]

C[典例2]下圖是植物體細胞雜交過程示意圖，如果A、B植物均為二倍體，據圖分析回答下列問題：(1)圖中所示過程的原理有________________________________________________________________________________________________________。(2)圖中的①過程是______________________________________________。(3)植物體細胞融合成功的標志是___________________________________，其產生與細胞內____________(細胞器)有關。(4)③和④過程分別是______和______過程。則該雜種植株有_____個染色體組。[解析]

(1)植物體細胞雜交過程中有原生質體A和原生質體B的融合過程，其原理是細胞膜具有流動性；將雜種細胞培育成新的個體，其原理是植物細胞具有全能性。(2)圖中的①過程是去除植物細胞壁，制備原生質體。(3)植物體細胞融合成功的標志是形成新的細胞壁，植物細胞壁的形成與高爾基體有關。(4)雜種細胞通過脫分化形成愈傷組織，經再分化形成雜種植株。圖中雜種植株是由兩個二倍體細胞融合成的雜種細胞培育成的新個體，含有四個染色體組。[答案]

(1)細胞膜具有流動性、植物細胞具有全能性(2)(去壁)制備原生質體(3)形成新的細胞壁高爾基體(4)脫分化再分化四[在訓練中評]1．紫花苜蓿產量高，營養(yǎng)豐富，但耐酸性差，作為飼料易造成家畜臌脹病；百脈根耐酸性強，葉片因富含縮合單寧可防止反芻動物臌脹病的發(fā)生。研究人員通過植物體細胞雜交最終獲得抗臌脹病的新型苜蓿。下列敘述錯誤的是

(

)A．植物體細胞雜交過程中需要先用酶解法去除細胞壁獲得原生質體B．誘導原生質體融合的方法有物理誘導、化學誘導和生物誘導三種C．抗臌脹病的新型苜蓿與紫花苜蓿、百脈根均不屬于同一物種D．體細胞雜交育種的過程體現(xiàn)了細胞膜的流動性和細胞的全能性解析：由于植物細胞外面有一層細胞壁，這層細胞壁阻礙著細胞間的雜交，因此在進行體細胞雜交之前必須先利用纖維素酶和果膠酶去除這層細胞壁，獲得具有活力的原生質體，A正確。誘導原生質體融合的方法有物理法和化學法兩種，B錯誤?？闺洸〉男滦蛙俎Ｅc紫花苜蓿、百脈根均存在生殖隔離，均不屬于同一物種，C正確。植物體細胞雜交技術中，不同來源的植物體細胞通過細胞融合技術形成雜種細胞體現(xiàn)了細胞膜的流動性；利用植物的組織培養(yǎng)技術將雜種細胞培育成雜種植株體現(xiàn)了植物細胞的全能性，D正確。答案：B

2．毛花獼猴桃為二倍體，果實大，維生素C含量高；軟棗獼猴桃為四倍體，極耐寒，在－40℃下可安全越冬。某農科所利用這兩種獼猴桃的體細胞，通過細胞工程的方法培育出了獼猴桃新品種，培育過程如下圖所示。下列說法錯誤的是

(

)A．過程①需將體細胞用含纖維素酶和果膠酶的等滲溶液處理B．滅活的仙臺病毒不能用于過程②中a和b的誘導融合C．愈傷組織形成試管苗須經脫分化和再分化兩個過程D．處于有絲分裂后期的雜種植株體細胞中有12個染色體組解析：過程①為利用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁獲得原生質體的過程，該過程需要在等滲溶液中進行，以維持原生質體的形態(tài)和功能，A正確；過程②為植物原生質體的融合過程，其誘導方法有PEG融合法、離心法、電融合法等，滅活的仙臺病毒是誘導動物細胞融合的手段，不能用于植物原生質體的融合，B正確；愈傷組織形成試管苗屬于再分化過程，C錯誤；毛花獼猴桃為二倍體，軟棗獼猴桃為四倍體，將二者進行植物體細胞雜交得到的雜種植株為六倍體，處于有絲分裂后期的該植株體細胞中有12個染色體組，D正確。答案：C科學思維——歸納比較植物體細胞雜交和多倍體育種項目植物體細胞雜交多倍體育種不同點原理細胞膜的流動性和植物細胞的全能性染色體數目變異方法通過原生質體融合和植物組織培養(yǎng)得到雜種植株常用秋水仙素處理萌發(fā)的種子或幼苗，使染色體數目加倍染色體來源和數目變化通過植物體細胞雜交得到的(雜種)植株中染色體數目是兩融合細胞中的染色體數目之和，且染色體一般來自兩種不同的植物體通過染色體加倍得到的多倍體植株中的染色體數與原植株中的染色體數是倍數關系，且染色體來自同一個體，加倍的是同源染色體相同點通過改變細胞或植株染色體的數目來改變遺傳物質，從而改變生物體的性狀，從中選育出符合人們要求的新品種[素養(yǎng)評價]1．通過下列育種方法產生的后代，其染色體數一般會發(fā)生改變的是

(

)A．單倍體育種

B．植物體細胞雜交育種C．雜交育種

D．轉基因育種解析：單倍體育種過程中，單倍體幼苗的細胞中染色