人教版生物选修三2.1.1-植物细胞工程的基本技术学案

选修Ⅲ 专题 2 细胞工程 2.1.1 植物细胞工程的基本技术 教材预览 导言 ＿＿＿是生物体结构和功能的基本单位。对于多细胞生物来说，可以从一个细胞（如受精 卵）开始，经过细胞的分裂和分化，发育成一个新个体。 思考：①为什么一个细胞可以发育成一个新个体呢？②任何一个细胞都可以发育成一个新 个体吗? 1. 细胞的全能性 细胞全能性概念：是指生物体的细胞具有＿＿＿＿＿＿的特性。受精卵、生殖细胞和已分化 的体细胞均具有全能性。 生物体的细胞具有全能性的根本原因：是细胞内含有形成完整个体所需的＿＿＿＿。同一个 体的每一个已分化的体细胞都由受精卵经有丝分裂而来，体细胞核内基因与受精卵一样，因此都 具有全能性。分化的体细胞之所以没有表达出全能性，是因为基因选择性表达。在离体和适当的 条件下，分化的体细胞也能表达其全能性。全能性表达的难易程度：受精卵＞生殖细胞＞体细胞； 植物细胞＞动物细胞。 思考：①植物细胞什么条件下才能表现出全能性呢？ 提示：离体状态，在一定的营养物质、激素和其它外界条件。 思考：②在生物体内，细胞为什么没表现出全能性，而是分化为不同的组织、器官呢？ 提示：选择性表达 2.植物细胞工程的基本技术 （1）植物组织培养 植物组织培养的过程： 外植体  脱分化 愈伤组织  再分化 根、芽  生长发育 植物体 细胞脱分化：就是让已经分化的细胞，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。 愈伤组织：排列疏松而无规则，是一种高度液泡化的呈无定形状的薄壁细胞。 植物组织培养的条件：含有全部营养成分的培养基、一定的温度湿度、空气、无菌环境、适 合的 PH、适时光照等。 （2）植物体细胞杂交： 概念：体结用两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物 体的方法。 杂交的时间：植物细胞杂交是从细胞融合开始，到培育成的新植物束。 过程： 植物A细胞 植物B细胞 去壁 原生质体A 原生质体B 原生质体融合 融合体 再 生 壁 杂种细胞 细胞分裂 愈伤组织杂种植株 预览答案 细胞；形成完整个体的潜能；全套基因. 问题探讨 1.为什么植物的一个花瓣就可以培育出完整的植株？利用什么技术可以实现呢？ 提示：细胞的全能性；植物组织培养。 2.根据你掌握的资料，说说如何培育“马铃薯---番茄”杂种植株，能否实现地上长番茄、 地下结马铃薯的设想呢? 提示：植物体细胞杂交技术；不能实现。 本节聚焦 学习本节课文应从具体实例的分析中明白细胞具有全能性；要结合具体实例和流程图掌 握植物细胞工程基本技术，并能进一步加以应用。 学习过程 细胞是生物体结构和功能的基本单位。多细胞生物可以由一个细胞如受精卵开始，经过 细胞的分裂和分化，发育成一个新个体。生物体的细胞具有形成完整个体的潜能的特性，即 细胞的全能性。受精卵、生殖细胞和已分化的体细胞均具有全能性。 因此我们可以通过植物细胞工程技术来培育新个体，甚至培育出自然界中所没有的植物 新品种。 一．细胞的全能性 具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整个体的潜能，细胞的这种 特性叫做细胞的全能性。受精卵、生殖细胞和已分化的体细胞均具有全能性。生物体的细胞具 有全能性的根本原因是细胞内含有形成完整个体所需的全套基因。同一个体的每一个已分化的 体细胞都由受精卵经有丝分裂而来，体细胞核内基因与受精卵一样，因此都具有全能性。分化 的体细胞之所以没有表达出全能性，是因为基因选择性表达。在离体和适当的条件下，分化的 体细胞也能表达其全能性。全能性表达的难易程度：受精卵＞生殖细胞＞体细胞；植物细胞＞ 动物细胞。 当植物细胞脱离了原来所在植物体的器官或组织而处于离体状态时，在一定的营养物质、 激素和其它外界条件的作用下，就可能表现出全能性，发育成完整的植株。 二.植物细胞工程的基本技术 1.植物组织培养 植物组织培养的概念： 在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上， 给予适宜的条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。植物组织培养有器官培养、 组织培养、胚培养、茎尖培养、花药培养、细胞培养等。 植物组织培养过程： 再分化脱分化 愈伤组织外植体 试管苗 植物体 外植体  脱分化 愈伤组织  再分化 根、芽  生长发育 植物体 细胞脱分化：就是让已经分化的细胞，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。 愈伤组织：排列疏松而无规则，是一种高度液泡化的呈无定形状的薄壁细胞。 植物组织培养的条件： 含有全部营养成分的培养基、一定的温度湿度、空气、无菌环境、适合的 PH、适时光照等。 思考与讨论 （1）为什么整个过程要求消毒、灭菌及无菌操作？ （2）不进行去分化处理，能否培养成完整的植物 体？ （3）决定植物细胞脱分化、再分化的关键因素是什么？ 同步拓展 （1）选择外植体时，由于外植体的脱分化难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而 有很大差异。花和幼嫩的组织脱分化较为容易，而植物的茎、叶和成熟的老组织则较难。另 外制备外植体时应选取有形成层的部分，因为形成层细胞易脱分化。 （2）消毒。植物组织培养要想取得成功，必须有效防止细菌等的污染。因为如果培养基上 有细菌等微生物存在时，它们比植物细胞生长、繁殖得更快，而且它们会产生毒素，使培养 的植物细胞很快中毒死亡。因此在培养过程中要求进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌 操作。 （3）光照。离体的植物细胞、组织和器官脱分化形成愈伤组织时，需避光处理。愈伤组织再 分化形成植物幼苗时，需光照处理。 （4）激素调控：生长素含量高于细胞分裂素时，主要诱导植物组织脱分化和根原基的形成； 当细胞分裂素的效应高于生长素时，主要诱导植物组织再分化和芽原基的形成。 例题 1.下列属于组织培养的是 （ ） A.花粉培养成单倍体植株 B.芽发育成枝条 C.根尖分生区发育成成熟区 D.未受精的卵发育成植株 [解析]解答此题需从以下几个方面入手：首先，组织培养是指离体的植物器官、组织 或细胞经脱分化形成愈伤组织，再经再分化形成具有根、芽结构的胚状体，然后由胚状体 发育成完整植物体的过程。花粉粒能培养成单倍体，是在离体条件下培养形成的。第二， 芽发育成枝条、根尖分生区发育成成熟区，是体内分化的器官和组织形成了机体的一部分， 未受精的卵发育成植物体，这就是自然情况下单倍体的形成过程，是在母体的调控下完成 的。[答案] A 2.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]解答该题需从如下三个方面入手分析： ①由离体的植物器官、组织或细胞形成愈伤组织的过程是植物组织培养过程中的一个 阶段。该阶段要进行细胞的增殖和细胞的脱分化，这就必须要有适宜的养料和激素，必须 要有适宜的温度，这样，才能保证细胞进行正常的新陈代谢。 ②由离体的植物器官、组织形成愈伤组织必须是在无菌条件下，只有在这样的条件下， 才能保证培养产生出的细胞是正常细胞，否则培养基内将长出许多霉菌，与离体细胞争夺 营养与生存空间，形不成愈伤组织。 ③由于此阶段形成的是愈伤组织，并没有形成具有根、茎、叶的植物体，因此不需 要光照。 3.要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株，不需要（ ） A.具有完整细胞核的细胞 B.离体状态 C.导入外源基因 D.一定的营养物质和激素 [解析]考查植物组织培养的知识。要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株，需要具有 完整细胞核的细胞，细胞处于离体状态，培养基中含有一定的营养物质和激素。[答案]C 2. 植物体细胞杂交技术 概念：体结用两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，并把杂种细胞培育成新 植物体的方法。 【背景资料与分析】 1978 年，梅尔彻斯（Melchers）等人首次获得了马铃薯与番茄的属间体细胞杂种。他们 将培育的二倍体马铃薯品系和番茄叶片细胞进行融合，所产生的杂交株被称为“马铃薯番茄”。 像大多数杂种一样，杂交株同时具有马铃薯和番茄的形态特征。其中一些植株形成了“类似块 茎的生殖根”，但是没有产生可结实的花、果实以及真正意义上的块茎。到目前为止“马铃薯 —番茄”一类的体细胞杂交植物还不能产生经济效益，但是其研究价值不可忽视。 1.为什么“番茄—马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下 结马铃薯？ 提示： 至于马铃薯—番茄没有像人们预想的那样地上长番茄、地下结马铃薯，主要原因是：生 物基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以马铃薯—番茄杂交植株的 细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，但这些遗传物质的表达受到相互干扰，不能再像马铃薯 或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然 的了。 2.自然界中有一种含有叶绿体的原生动物──眼虫，说明植物的细胞器同样可以在某些动物 细胞中存活，请探讨：动物细胞与植物细胞之间可以实现杂交吗？如果理论上可行，请设计出 具体实验方案。 提示：根据眼虫的特点，动物细胞和植物细胞之间在理论上是可以实现杂交的。具体的实验 方案可以设计如下： 思考与讨论： 1、你认为两个来自不同植物的体细胞完成融合，遇到的第一个障碍是什么？ （细胞壁） 2、有没有一种温和的去壁方法呢？ 酶解法（用纤维素酶和果胶酶） 3、如何实现原生质体融合的呢？ 人工诱导原生质体融合的方法有物理法和化学法两大类：物理法是利用离心、振动、电 刺激等促使原生质体融合；化学法是用聚乙二醇(PEG)等试剂作为诱导剂诱导融合 。 4、如果两个来源不同的原生质体发生了融合，下一部该做何处理？ 应该诱导其再生壁。 5、如何将杂种细胞培育成杂种植株？ 利用植物组织培养技术。 植物体细胞杂交过程示意图: 植物体细胞杂交的优势： 打破不同种生物间的生殖隔离限制，在一定程度上克服远缘杂交不亲和的障碍，大大扩展 了可用于杂交的亲本组合范围。 植物体细胞杂交杂种细胞的筛选和培养： 同步拓展 以烟草与大豆细胞融合为例。烟草与大豆的原生质体融合后，将原生质体转移到适当的培 养基上培养，使原生质体再生出细胞壁。这时，在细胞混合物中，不仅有烟草-大豆细胞，还有 烟草细胞、大豆细胞、烟草-烟草细胞、大豆-大豆细胞，因此需要对杂种细胞进行筛选。得到 烟草-大豆细胞后，再通过植物组织培养技术，培育杂种植株。 例题 1.在细胞工程——原生质体融合育种技术中，其技术的重要一环是将营养细胞的细胞壁除 去，通常是采用纤维素酶和果胶酶的酶解破壁法处理。如将去掉了细胞壁的成熟植物细胞置 于清水中，细胞将： （ ） A.皱缩 B.胀破 C.呈球形 D.保持原状 [ 解析]成熟植物去壁后，置于清水中，由于细胞内外浓度差较大，又无细胞壁保护，细 胞会大量吸水，直至细胞破裂。[答案]B 2 不能用于人工诱导原生质体融合的方法是 （ ） A.振动 B.电刺激 C.PEG D.重压 [解析]原生质体是除去细胞壁的植物细胞，它实际上就是植物细胞的原生质部分。当进 行植物体细胞杂交时，先用纤维素酶、果胶酶除去细胞壁，分离出具有活力的原生质体， 获得原生质体后就可以进行植物体细胞杂交了。植物体细胞杂交的过程实质是不同植物体 细胞的原生质体融合的过程。将不同植物体细胞放在一起培养，必须通过一定的技术手段 进行人工诱导。诱导方法有物理法和化学法两大类。物理法就是利用离心、振动、电刺激 等促使原生质体融合；化学法是用聚乙二醇等试剂作为诱导剂诱导细胞的原生质体融合， 聚乙二醇简称为 PEG。重压不能促使原生质体的融合。[答案]D 课堂练习 1．下图是植物组织培养的简略表示。据此回答： 脱分化 再分化 ①——→②——→③——→④ （1）①表示 ，它能被培养成为④的根本原因是 。 （2）②表示 ，它与①相比分化程度 ，全能性 。 （3）若想制作人工种子，应该选用（填编号） 。 （4）若①是花药，则④是 ，继续对其使用 处理可获得 正常植株， 该过程称为 。 （5）若①是胡萝卜根尖细胞，则培养成的④的叶片的颜色是 ，这说明根尖细 胞 。 （6 ）若 利用此 项技术制 造治疗 烫伤、 割伤的 药物—— 紫草 素，培 养将进行 到（填 编 号） 。 2．右图为植物体细胞杂交过程示意图。据图回答： （ 1 ） 步 骤 ① 是 ， 最 常 用 的 方 法 是 。 （ 2 ） 步 骤 ③ 一 般 常 用 的 化 学 试 剂 是 ， 目 的 是 。 (3)在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中，运用的技术手段 是 ，其中步骤④相当于 ，步骤⑤相 当于 。 （ 4 ） 植 物 体 细 胞 杂 交 的 目 的 是 获 得 新 的 杂 种 植 株 。 使 能够在新的植物体上有所表现，其根本原因 。 （5）若远源杂交亲本 A 和 B 都是二倍体，则杂种植株为 倍体。 （6）从理论上讲，杂种植株的育性为 。若运用传统有性杂 交方法能否实现？ ，原因是 。 因 此 ， 这 项 研 究 对 于 培 养 作 物 新 品 种 方 面 的 重 大 意 义 在 于 。 （7）利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种过程中，遗传物质的 传 递 是 否 遵 循 孟 德 尔 的 遗 传 规 律 ？ 为 什 么？ 。 练习答案： 1、（1）离体的植物器官、组织或细胞 植物的全能性 （2）愈伤组织 低 高 （3）③（4）单倍体植株 秋水仙素 纯合 单倍体育种 （5）绿色 含有与叶绿体形成相关的基因（6）② 2、（1）去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体 酶解法 （2）PEG 诱导不同植物体细胞的原生质体融合 （3）植物组织培养 脱分化 再分化 （4）远源杂交亲本的遗传特征 杂种植株获得双亲的遗传物质 （5）四 （6）可育 不能 因为不同种生物之间存在生殖隔离 克服远源杂交不亲和的障碍 （7）否 有性生殖的过程中进行减数分裂，才遵循孟德尔的遗传规律