新教材2023年高中生物第2章細胞工程第1節(jié)植物細胞工程1植物細胞工程的基本技術學案新人教版選擇性必修3

第1節(jié)植物細胞工程新課程標準核心素養(yǎng)1．簡述植物組織培養(yǎng)技術和植物體細胞雜交技術的原理和過程。2．嘗試進行植物組織培養(yǎng)。3．舉例說明植物細胞工程的應用有效提高了生產效率。4．列舉植物細胞工程在作物新品種培育方面的應用。5．概述細胞產物的工廠化生產的原理。1．生命觀念——會用生命觀念解釋植物細胞工程給人們帶來的影響。2．科學思維——結合單倍體育種、誘變育種等育種方法來理解植物組織培養(yǎng)在作物新品種培育方面的應用。3．科學探究——結合具體實驗，嘗試設計植物組織培養(yǎng)技術的流程簡圖。4．社會責任——了解組織培養(yǎng)技術已取得的進展和尚未解決的問題，認同科學是一個不斷發(fā)展的過程。知識導圖一植物細胞工程的基本技術必備知識·夯實雙基一、植物細胞的全能性1．概念：細胞經分裂和分化后，仍然具有__產生完整生物體__或__分化成其他各種細胞__的潛能。2．生長發(fā)育過程中細胞沒有表現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__選擇性地表達__。二、植物組織培養(yǎng)技術1．概念：將__離體__的植物器官、組織或細胞等，培養(yǎng)在__人工配制的培養(yǎng)基__上，給予適宜的培養(yǎng)條件，誘導其形成__完整植株__的技術。2．全能性表達過程(1)脫分化：讓已經分化的細胞經過誘導后，失去其特有的__結構和功能__，轉變成未分化細胞的過程。(2)再分化：脫分化產生的__愈傷組織__，在一定的培養(yǎng)條件下，再分化出__芽、根等器官__，進而形成完整的小植株。(3)激素的作用：植物激素中__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。3．過程eq\x(外植體消毒)→將流水充分沖洗后的外植體用__酒精__消毒30s，然后立即用無菌水清洗2～3次，再用次氯酸鈉溶液處理30min后，立即用無菌水清洗2～3次↓eq\x(處理外植體)→將消過毒的外植體置于無菌的培養(yǎng)皿中，用無菌濾紙吸去表面的水分。用解剖刀將外植體切成0.5～1cm長的小段↓eq\x(接種)→接種時要始終在__酒精燈火焰__旁進行，將外植體的1/3～1/2插入誘導愈傷組織的培養(yǎng)基中。用封口膜或瓶蓋封蓋瓶口，并在培養(yǎng)瓶上做好標記↓eq\x(培養(yǎng))→將接種了外植體的錐形瓶或植物組織培養(yǎng)瓶置于18～22℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)15～20d后，將生長良好的愈傷組織轉接到誘導生芽的培養(yǎng)基上。長出芽后，再將其轉接到誘導生根的培養(yǎng)基上，進一步誘導形成試管苗↓eq\x(移栽)→移栽前應先打開封口膜或瓶蓋，讓試管苗在培養(yǎng)箱內生長幾日。用流水清洗掉根部的培養(yǎng)基后，將幼苗移植到消過毒的蛭石或珍珠巖等環(huán)境中，待其長壯后再移栽到土壤中注意：在誘導愈傷組織期間一般不需要光照，在后續(xù)的培養(yǎng)過程中，每日需要給予適當時間和強度的光照。三、植物體細胞雜交技術1．概念將__不同來源__的植物體細胞，在一定條件下融合成__雜種細胞__，并把雜種細胞培育成__新植物體__的技術。2．植物體細胞雜交技術的流程圖及相關分析(圖中a、b、c和d表示相應過程)過程操作或說明a：去壁用__纖維素酶和果膠酶__去除細胞壁，獲得原生質體b：原生質體融合ⅰ融合方法：物理法——電融合法、離心法等；化學法——__取乙二醇(PEG)__融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。ⅱ融合成功的標志是再生出新的細胞壁植物組織培養(yǎng)c：脫分化將雜種細胞培育成雜種植株d：再分化3．意義：打破植物的__生殖隔離__，實現遠緣雜交育種。┃┃學霸記憶__■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。5．植物細胞融合依據的生物學原理是細胞膜的流動性，融合成功的標志是雜種細胞再生出細胞壁。6．誘導原生質體融合的方法：物理法和化學法。物理法包括電融合法、離心法等；化學法包括聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。7．植物體細胞雜交技術的意義：克服了不同種生物遠緣雜交不親和的障礙。┃┃活學巧練__■1．植物的每個細胞在植物體內和體外都能表現出細胞的全能性。(×)2．在植物組織培養(yǎng)過程中，細胞的遺傳物質一般都發(fā)生改變。(×)3．脫分化和再分化是植物組織培養(yǎng)的重要過程。(√)4．在植物組織培養(yǎng)過程中需要給予光照，以誘導脫分化過程。(×)5．植物體細胞雜交要先去除細胞壁的原因是細胞壁阻礙了原生質體的融合。(√)6．植物體細胞雜交過程中，細胞融合成功的標志是產生新的細胞壁。(√)思考：1．與體細胞相比，生殖細胞如花粉的遺傳物質減少了一半，為什么生殖細胞仍具有全能性？提示：在生物的體細胞中染色體是成對存在的，基因也是成對存在的，生殖細胞中遺傳物質雖然減少了一半，但基因的種類沒有少，仍具有控制生長發(fā)育的全套的遺傳信息，因此生殖細胞仍具有全能性。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：避免雜菌在上面迅速生長消耗營養(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)基成分的不同是生長素和細胞分裂素的比例不同。4．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)物經過誘導脫分化后，失去其特有的結構和功能而轉變成未分化細胞，愈傷組織中不含有葉綠體。5．從新品種培育的角度分析，植物體細胞雜交技術最大的優(yōu)點是什么？提示：克服了不同種植物遠緣雜交的障礙，使不同種植物雜交成為可能。課內探究·名師點睛知識點細胞的全能性1．細胞全能性的分析(1)具有全能性的原因：一般生物體的每一個細胞都包含有該物種所特有的全套遺傳信息。(2)現實體現：在生物的生長發(fā)育過程中，生物體內的細胞并不會表現出全能性，而是分化成各種組織和器官。這是因為在特定的時間和空間條件下，細胞內的基因會選擇性地表達。(3)不同細胞全能性的大?、袤w細胞全能性：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。②不同細胞的全能性：受精卵>胚胎干細胞>生殖細胞>體細胞。③不同生物的細胞全能性：植物細胞>動物細胞。(4)全能性與細胞分化的關系：隨著細胞分化程度的不斷提高，細胞的全能性逐漸降低。2．植物細胞全能性表達所需條件(1)體細胞未表現全能性的原因：基因的選擇性表達。(2)體現細胞全能性的條件材料離體的細胞、組織或器官培養(yǎng)基種類齊全、比例合適的營養(yǎng)物質及一定比例的植物激素外界條件①無菌操作②光照：愈傷組織培養(yǎng)最初避光培養(yǎng)，后期見光培養(yǎng)知識貼士1．細胞表達全能性的標志是發(fā)育成完整個體或分化成其他各種細胞。2．細胞具有全能性是因為細胞中具有發(fā)育成完整個體所必需的“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。┃┃典例剖析__■典例1下列有關細胞全能性的敘述，不正確的是(C)A．受精卵在自然條件下能使后代細胞形成完整個體，因此全能性最高B．生物體內的體細胞由于細胞分化，全能性不能表達C．卵細胞與受精卵一樣，細胞未分化，全能性最高D．植物細胞在一定條件下離體培養(yǎng)能表現出全能性解析：受精卵是個體發(fā)育的起點，在自然條件下，通過細胞的分裂、分化形成完整的個體，所以受精卵的全能性最高；生物體內的體細胞由于細胞分化，細胞中的基因選擇性地表達，因此全能性不能表達；卵細胞屬于已分化的細胞，與受精卵相比，全能性較低；分化的植物細胞盡管具有全能性，但如果要表現出全能性，植物細胞必須在一定條件下進行離體培養(yǎng)。┃┃變式訓練__■1．以下實例不能體現細胞全能性的是(B)A．用胡蘿卜韌皮部細胞培育出植株B．用紫色糯玉米種子培育出植株C．用轉入抗蟲基因的棉花細胞培育出植株D．番茄體細胞與馬鈴薯體細胞雜交后培育出植株解析：細胞的全能性是指細胞經分裂和分化后仍然具有發(fā)育成完整生物體的潛能。能體現細胞全能性的最好實例是植物組織培養(yǎng)，即離體的植物器官、組織或細胞經過脫分化和再分化，最終能形成一個完整的植物體，故A、C、D三項所述都能體現細胞的全能性。玉米種子中有胚，胚是玉米的幼體，因此將玉米種子培育成植株是幼體發(fā)育為成體的過程，沒有體現細胞的全能性。知識點植物組織培養(yǎng)技術1．植物組織培養(yǎng)相關概念辨析(1)外植體：離體培養(yǎng)的植物器官、組織或細胞。(2)胚狀體：植物細胞離體培養(yǎng)，經過脫分化和再分化，發(fā)育成胚狀體。胚狀體經過生長發(fā)育成完整植株。(3)愈傷組織：一團沒有特定結構和功能，排列疏松而無規(guī)則，高度液泡化的呈無定形狀態(tài)的薄壁組織團塊。(4)脫分化和再分化的比較比較內容脫分化再分化過程外植體→愈傷組織愈傷組織→幼苗需要條件①離體②適宜的營養(yǎng)③生長素與細胞分裂素的比例適中④不需光①離體②適宜的營養(yǎng)③生長素與細胞分裂素的比例高(低)誘導生根(生芽)④需光照2．植物組織培養(yǎng)的條件(1)離體、無菌。(2)環(huán)境條件適宜：如營養(yǎng)物質(水、無機鹽、蔗糖、維生素等)、激素(生長素和細胞分裂素)、適宜的溫度和光照。3．植物組織培養(yǎng)的過程eq\x(離體的器官、組織、細胞)eq\o(→,\s\up7(脫分化),\s\do5(營養(yǎng)物質、激素))eq\x(愈傷組織)eq\o(→,\s\up7(再分化),\s\do5(營養(yǎng)物質、激素、光))eq\x(胚狀體)→eq\x(完整植株)4．菊花組織培養(yǎng)實驗的注意事項(1)關鍵：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。(2)取材：外植體的遺傳特征、取材位置都會影響愈傷組織的再分化能力。(3)培養(yǎng)基：培養(yǎng)基中必須含有植物生長發(fā)育所需要的全部營養(yǎng)物質，其中生長素和細胞分裂素用量和比例對器官的發(fā)生起決定作用。(4)光照：愈傷組織培養(yǎng)，最初避光培養(yǎng)，后期見光培養(yǎng)。(5)培養(yǎng)順序：試管苗培養(yǎng)，要先進行生芽培養(yǎng)，再進行生根培養(yǎng)，試管苗培養(yǎng)要在光照條件下進行。┃┃典例剖析__■典例2下列關于植物組織培養(yǎng)的描述，錯誤的一項是(A)A．植物種子是植物組織培養(yǎng)的理想材料B．愈傷組織是一團未分化的細胞C．植物組織培養(yǎng)的原理是植物細胞具有全能性D．調整激素配比可以誘導脫分化過程解析：植物種子中的胚是由受精卵發(fā)育而來的，培養(yǎng)成植株的過程為自然生長，不是植物組織培養(yǎng)的理想材料，A錯誤；愈傷組織是一團未分化的細胞，其全能性高，B正確；植物組織培養(yǎng)的結果是得到完整植株，其原理是植物細胞具有全能性，C正確；通過調整激素(主要是生長素和細胞分裂素)配比，可以誘導脫分化過程，D正確。┃┃變式訓練__■2．科學家應用植物組織培養(yǎng)技術，將二倍體胡蘿卜韌皮部的一些細胞進行離體培養(yǎng)，最終培育成一株完整的新植株(見圖)。關于這一科學事實，下列哪一項敘述是錯誤的(A)A．培育成的新植株是單倍體植株B．這種生殖方式屬于無性生殖C．細胞數目的增多是通過有絲分裂實現的D．證明了植物細胞具有全能性解析：對二倍體胡蘿卜韌皮部的一些細胞進行離體培養(yǎng)，其發(fā)育過程中遺傳物質不變，故培育成的新植株是二倍體植株，A錯誤；這種生殖方式屬于無性生殖，產生的后代能保持親本的性狀，B正確；植物組織培養(yǎng)過程進行的是有絲分裂，C正確；該過程是植物細胞全能性的表達，D正確。知識點植物體細胞雜交技術1．植物體細胞雜交的過程步驟圖解方法原生質體的獲得酶解法(纖維素酶和果膠酶)去除細胞壁，得到原生質體雜種細胞的形成通過一定的技術手段(物理法包括離心法、電融合法等；化學法包括聚乙二醇融合法、高Ca2＋—高pH融合法等)進行人工誘導，實現原生質體的融合雜種植株的產生對雜種細胞，用植物組織培養(yǎng)的方法進行培育2．植物體細胞雜交育種的優(yōu)點和局限性(1)優(yōu)點：打破生殖隔離，克服遠緣雜交不親和障礙。(2)局限性：目前有許多理論和技術問題未解決，還不能讓雜種植株按照人們的需求表現出雙親的雜合性狀。3．植物組織培養(yǎng)和植物體細胞雜交的比較項目植物組織培養(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選材根尖、莖尖、形成層部位最容易誘導脫分化不同來源的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┃┃典例剖析__■典例3實驗人員利用矮牽牛(二倍體，2n＝14)的紅色花瓣細胞(液泡呈紅色)與枸杞(四倍體，4n＝48)的葉肉細胞，制備了相應的原生質體，并誘導其融合，經篩選、培養(yǎng)獲得雜種植株。下列有關敘述錯誤的是(D)A．獲得該雜種植株時不用考慮兩種高等植物間的生殖隔離問題B．可利用聚乙二醇、離心等方法誘導植物原生質體融合C．可利用光學顯微鏡觀察，篩選出雜種細胞D．若原生質體均為兩兩融合，則融合后的細胞中染色體均為62條解析：植物體細胞雜交技術在打破生殖隔離，實現遠緣雜交育種等方面具有獨特的優(yōu)勢，因此獲得雜種植株時不用考慮兩種高等植物間的生殖隔離問題，A正確；人工誘導植物原生質體融合的方法有物理法(如離心法、電融合法)、化學法(如聚乙二醇融合法)兩大類，B正確；雜種細胞應具有紅色液泡和綠色的葉綠體，故可利用光學顯微鏡觀察，篩選出雜種細胞，C正確；若原生質體均為兩兩融合，可能是同種細胞融合，也可能是不同種細胞融合，則融合后的細胞中染色體可能為28條、96條或62條，D錯誤。┃┃變式訓練__■3．下列有關植物體細胞雜交和植物組織培養(yǎng)的比較，不正確的是(C)A．兩者原理都涉及細胞的全能性B．兩者過程都涉及嚴格無菌培養(yǎng)C．兩者都涉及細胞壁的去除與重建D．兩者都可用于培育優(yōu)良作物品種解析：植物體細胞雜交中包含植物組織培養(yǎng)，故兩者原理都涉及植物細胞的全能性，A正確；植物體細胞雜交和植物組織培養(yǎng)都需要無菌培養(yǎng)，B正確；植物組織培養(yǎng)不需要去除細胞壁，C錯誤；植物體細胞雜交可以將植物的優(yōu)良性狀融合，植物組織培養(yǎng)可以用于育種，保持優(yōu)良品種的遺傳特性，D正確。指點迷津·撥云見日混淆植物體細胞雜交和有性雜交(1)植物體細胞雜交若兩個不同品種的植物細胞A、B進行融合，A含有2X條染色體，2個染色體組，基因型為Aabb，B含有2Y條染色體，2個染色體組，基因型為ccDd，則新植株應為四倍體，其體細胞中染色體數為2X＋2Y，基因型為AabbccDd，從中不難看出，體細胞雜交即兩個細胞融合成一個細胞，不管是染色體數、基因型還是染色體組都采用直接相加的方法。(2)植物有性雜交有性雜交的子代細胞中染色體數為“X＋Y”，基因型為“AbcD”或“abcD”或“Abcd”或“abcd”，即先減半，再相加。(3)植物有性雜交過程中，遺傳物質的傳遞遵循孟德爾遺傳定律，而植物體細胞雜交過程中，遺傳物質的傳遞不遵循孟德爾遺傳定律。┃┃典例剖析__■典例4A種植物細胞和B種植物細胞的結構如下圖所示(僅顯示細胞核中部分染色體)，將A、B兩種植物細胞去掉細胞壁后，誘導二者的原生質體融合，形成單核的雜種細胞，若經過組織培養(yǎng)后得到了雜種植株，則該雜種植株是(C)A．二倍體；基因型是DdYyRrB．三倍體；基因型是DdYyRrC．四倍體；基因型是DdYyRrD．四倍體；基因型是DDddYYyyRRrr解析：據圖分析，A種植物的基因型為Dd，屬于二倍體，B種植物的基因型為YyRr，也屬于二倍體。植物體細胞融合后形成的雜種細胞含有兩個親本的遺傳物質，基因型為DdYyRr，屬于異源四倍體，C項符合題意。解疑答惑從社會中來?P34提示：利用植物組織培養(yǎng)技術快速繁殖蘭花。具體操作為取蘭花幼嫩部位消毒后置于誘導形成愈傷組織的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，經脫分化形成愈傷組織，轉接到誘導生根培養(yǎng)基上，再分化形成胚狀體或叢芽，移栽獲得蘭花植株。探究·實踐?P35結果分析與評價1．提示：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、真菌等的生長。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要求等。2．提示：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和時間。3．略。4．提示：幼苗的移栽是否合格幼苗移栽的關鍵是既要充分清洗根系表面的培養(yǎng)基，又不能傷及根系。一般使用無土栽培的辦法。培養(yǎng)基質要提前消毒，可以向培養(yǎng)基質噴灑質量分數為5%的高錳酸鉀溶液，并用塑料薄膜覆蓋12h。掀開塑料薄膜后24h才能移栽。移栽的幼苗要在培養(yǎng)箱內生長幾天，等壯苗后再定植大田或進行盆栽。同學們可以在課后統(tǒng)計自己移栽的幼苗的成活率，看看移栽是否合格。練習與應用?P38一、概念檢測1．A提示：進行a處理時應用纖維素酶、果膠酶。2．提示：蝸牛消化道提取液中可能含有纖維素酶、果膠酶。二、拓展應用提示：1978年，梅爾徹斯(G．Melchers)等人首次獲得了馬鈴薯與番茄的體細胞雜種植株。他們將培育的二倍體馬鈴薯和番茄的葉片細胞原生質體進行融合，產生了雜種植株——“番茄—馬鈴薯”，它同時具有馬鈴薯和番茄的形態(tài)特征。其中一些植株形成了“類似塊莖的生殖根”，但是并沒有產生可結實的花以及真正意義上的塊莖。到目前為止“番茄—馬鈴薯”一類的體細胞雜交植物還不能產生經濟效益，但是其研究價值不可忽視?！胺选R鈴薯”沒有像人們預想的那樣地上結番茄、地下長馬鈴薯，主要原因是：生物體內基因的表達不是孤立的，它們之間是相互調控、相互影響的，所以“番茄—馬鈴薯”雜種植株的細胞中雖然具備兩個物種的遺傳物質，但這些遺傳物質的表達相互干擾，它們不能再像馬鈴薯或番茄植株中的遺傳物質一樣有序表達，雜種植株自然就不能地上結番茄、地下長馬鈴薯了。近年來，有報道稱利用嫁接技術培育出了地上結番茄、地下長馬鈴薯的植株。訓練鞏固·課堂達標1．下列圍繞細胞全能性的敘述中正確的是(D)A．植物體內某些體細胞沒有表現出全能性，其原因是所含基因不同B．紫色糯性玉米種子培育成植株，這反映植物種子具有全能性C．植物體只有體細胞才具有發(fā)育成完整個體所必需的全套基因D．高度分化的植物細胞只有處于離體狀態(tài)時才有可能表現出全能性解析：植物體內細胞沒有表現出全能性，這是細胞內基因在特定時間和空間條件下選擇性表達的結果，A項錯誤；種子發(fā)育成植株，是個體發(fā)育過程，不屬于全能性的體現，B項錯誤；細胞具有全能性的原因是細胞具有發(fā)育成完整個體所必需的全套基因，而配子也具有這樣的全套基因，同樣具有全能性，C項錯誤；細胞全能性的表達前提是離體培養(yǎng)