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第二章第一节 植物细胞工程
第一课时 植物细胞工程的基本技术
一、植物组织培养技术
1.细胞工程：应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。
2.细胞的全能性：细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整细胞体或分化成其他各种细胞的潜能，即细胞具有全能性。在生物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都会表现出全能性，这是因为在特定的时间和空间条件下，细胞的基因会选择性表达。
3.植物组织培养技术
定义：是指将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基上，给予适当的培养条件，诱导其形成完整植株的技术
技术流程
接种外植体：是指离体的植物器官、组织或细胞
诱导愈伤组织：是指已经分化的细胞，经过诱导，
脱分化而形成的不定型的薄壁组织团块
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
4.菊花的组织培养
（1）实验原理
①植物细胞一般具有全能性。在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化，即失去其特有的细胞和结构，转变成未分化的细胞，进而形成不定型的薄壁组织团块，这称为愈伤组织。愈伤组织能重新分化成芽、根等器官，该过程称为再分化。
②植物激素中生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化是关键激素，他们的浓度、比例等都会影响植物细胞的发育方向。将愈伤组织接种到含有特定激素的培养基上，就可以诱导其再分化胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株。
（2）
（3）注意事项
①实验中使用的培养基和所有的器械都要灭菌。接种操作必须在酒精灯火焰旁进行，并且每次使用后的器械都要灭菌。
②制备菊花的外植体时首先要消毒，其次要选取幼嫩的茎段，因为该部分细胞易于诱导形成愈伤组织。
③接种时注意外植体的方向，不要倒插
④诱导愈伤组织期间一般不需要光照，在后续的培养过程中，每日需要给予适当时间和光照强度。
二、植物体细胞杂交技术
1.概念：
将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。
2.过程
（1）去壁：用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁，获得原生质体。
（2）诱导原生质体融合的方法
①物理法：包括电融合法、离心法等
②化学法：包括聚乙二醇融合法（PEG）、高Ca2+—高pH融合法等
3.意义：
在打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面展现出独特的优势。
归纳提升
1.细胞的全能性
（1）具有全能性的原因：一般生物体的每一个细胞都含有物种所特有的全套遗传信息。
（2）现实体现：在生物的生长发育中，生物体内的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，细胞内的基因会选择性表达。
（3）不同细胞的细胞全能性的大小
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＞胚胎干细胞＞生殖细胞＞体细胞
③不同生物细胞的全能性：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提高，细胞的全能性逐渐降低。
特别提醒：（1）细胞表达全能性的标志是发育成完整个体或分化成其他各种细胞。
（2）细胞具有全能性是因为细胞中有发育成完整个体所必须的“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。
2.植物组织培养相关概念解析
（1）外植体：离体培养的植物器官、组织或细胞
（2）胚状体：植物细胞离体培养，经过脱分化和再分化，发育成胚状体。胚状体经过发育成完整植株。
（3）愈伤组织：一团没有特定结构和功能，排列疏松而无规则，高度液泡化的呈无定形状态的薄壁组织团块。
（4）脱分化和再分化的比较
内容比较 脱分化 再分化
过程 外植体→愈伤组织 愈伤组织→幼苗
需要条件 ①离体 ②适宜的营养 ③生长素与细胞分裂素的比例适中 ④不需光 ①离体 ②适宜的营养 ③生长素和细胞分裂素的比值高（低）诱导生根（生芽） ④需光照
3.植株组织培养的条件
（1）离体、无菌
（2）环境条件适宜：如营养物质（水、无机盐、蔗糖、维生素等）、植物激素（生长素和细胞分裂素）、适宜的温度和光照。
4.植物组织培养的过程
离体的器官、组织、细胞愈伤组织胚状体→完整植株
5.菊花组织培养实验注意事项
（1）条件控制：植物组织培养过程中光照条件的控制非常重要，包括光的强度、光照时间和波长等。在形成愈伤组织的脱分化阶段往往需要暗培养，而在再分化的过程中一定要有光照。脱分化阶段的暗培养有利于细胞产生愈伤组织，因为在光照条件下容易分化产生维管组织，不利于产生大量的愈伤组织。再分化阶段要有光照，这样有利于诱导形成叶绿素。
（2）取材：
含形成层（分生组织）的部位易于诱导形成愈伤组织。尽植物体其他已分化的部位也可以用于组织培养，但诱导愈伤组织的形成比较困难。
（3）消毒和灭菌：
培养基中含有丰富的营养物质，不仅有利于培养物的生长，也有利于各种杂菌的培养。一旦被污染，迅速生长的各种杂菌不仅会与培养物争夺营养，而且会产生大量对培养物有害的物质，导致培养物死亡。
（4）植物激素的作用
生长素与细胞分裂素的比值 作用效果
高 有利于根的分化，抑制芽的形成
低 有利于芽的分化，抑制根的形成
适中 促进愈伤组织形成
6.植物组织培养和植物体细胞杂交的比较
项目 植物组织培养 植物体细胞杂交
原理 植物细胞的全能性 细胞膜具有一定的流动性和植物细胞的全能性
过程 离体的植物器官、组织或细胞 ↓脱分化 愈伤组织 ↓再分化 根、芽或胚状体 ↓发育 植物体 植物细胞A ↓去壁 原生质体A 人工诱导 ————→融合的原生质体AB 原生质体B ↓再生壁 ↑去壁 杂种细胞AB 植物细胞B ↓脱分化 愈伤组织 ↓再分化 杂种植株
选材 根尖、茎尖、形成层部位最容易诱导脱分化 不同来源的植物体细胞
技术操作 脱分化、再分化等 除脱分化、再分化外，还要用溶解法去除细胞壁，用一定的方法诱导细胞融合
关系 植物组织培养技术是植物体细胞杂交技术的基础，植物体细胞杂交所用的技术更复杂
6.植物体细胞杂交过程中的注意事项
（1）植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖浓度溶液且浓度略大于植物细胞质浓度。不仅为原生质体提供营养，而且还能维持一定的渗透压，使原生质体保持正常的形态
（2）体细胞融合后培养基主要有五种培养基类型（A/B/AA/BB/AB），其中融合细胞类型有三种（AA/BB/AB），而真正符合要求的是AB，因此要对融合细胞进行筛选
（3）从生殖类型上看，植物体细胞杂交技术没有生殖细胞的形成和结合，属于无性生殖，变异类型是染色体数目的变异，形成的是异源多倍体，由于含有两个亲本的遗传物质，因此理论上应具有两个亲本的遗传形状
探究应用
例1 下列有关细胞的全能性的叙述，错误的是（）
A.受精卵在自然条件下能发育形成完整个体，因此全能性最高
B.生物体内的体细胞由于细胞分化，全能性不能表达
C.卵细胞和受精卵一样，细胞未分化，全能性最高
D.植物细胞在一定条件下离体培养能表现出全能性
【答案】C
【解析】
受精卵是个体发育的起点，在自然条件下，通过细胞的分裂、分化形成完整的个体，所以受精卵的全能性最高；生物体内的体细胞由于细胞分化，细胞中的基因选择性表达，因此全能性不能表达；卵细胞属于分化程度高的细胞，与受精卵相比，全能性较低；分化的植物细胞尽管具有全能性，但如果要表现出全能性，植物细胞必须在一定条件下进行离体培养。
例2 下列有关菊花组织培养的叙述，错误的是（）
A.外植体一般选自未开花植株上的茎上部新萌生是嫩芽
B.为充分利用培养条件，每个锥形瓶可接种多个外植体
C.培养形成的愈伤组织可继续在原培养基中分化形成植株
D.外植体接种前常进行流水冲洗，酒精处理，消毒液处理等消毒措施
【答案】C
【解析】
在以快速繁殖为主要目的时，菊花未开花植株的茎上部新萌生的侧枝是最为常用的外植体，因为在该处理分裂能力强、分化程度低，全能性最容易表达，A项正确；为充分利用培养条件，每个锥形瓶可接种6到8个外植体，接种后，将封口膜重新扎好，B项正确；愈伤组织需要转移到分化培养中才能再分化形成植株，C项错误；外植体接种前常进行消毒进行流水冲洗，酒精处理，消毒液处理等消毒措施，最后为了避免消毒液的危害，需要用无菌水清洗三次，D项正确。
第二课时 植物细胞工程的应用
一、植物繁殖的新途径
1.快速繁殖
（1）含义
用于快速繁殖优良品种的植株组织培养技术，又称为微型繁殖技术
（2）特点
可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖
可以保持优良品种的遗传特性
（3）成果
一些优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物和濒危植物等都实现利用快速繁殖的技术来提供苗木
2，作物脱毒
（1）原理
科学家发现在植物顶端分生区附近（如茎尖）的病毒极少，甚至无病毒
（2）方法
切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗
（3）特点
提高作物的产品和质量
（4）成果
目前采用茎尖组织培养技术脱去病毒，已在马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等许多作物上获得成功
二、作物新品种的培育
1.单倍体育种
（1）过程：
花药（或花粉）离体培养→单倍体植株纯合子二倍体植株优良品种
（2）优点
①后代是纯合子，能稳定遗传
②明显缩短育种年限
③进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料
（3）原理：
染色体变异
2.突变体的利用
（1）原理：
基因突变
（2）产生原因：
在植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增值的状态，因此他们容易受到培养条件和诱变因素（如：射线、化学物质等）的影响而产生突变。
（3）利用：
从产生突变的个体中筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。
三、细胞产物的工厂化生产
1.次生代谢物
（1）含义：
植物代谢产生的一些一般认为不是植物基本的生命活动所必须的产物。
（2）本质：
一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等）
（3）作用：
在植物抗病、抗虫等方面发挥重要作用，是很多药物、香料等的重要来源
（4）特点
一般不是植物基本生命活动所必须的物质
含量很低
有些不能或难以通过化学合成途径的得到
2.植物细胞培养
（1）含义：
是指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增值的技术
（2）特点：
不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制
（3）意义
对于社会、经济和环境保护具有重要意义
（4）成果：
利用植物细胞培养生产的紫草宁投入市场，成为世界上首例药用植物细胞工程产品
我国科学家成功筛选出了高产紫杉醇的细胞
我国科学家成功实现了利用人参细胞培养生产人参中重要的活性成分——人参皂苷
探究应用
1.马铃薯利用他的块茎进行无性繁殖，种植的世代多了以后往往会因感染病毒而减产，为此农户都希望得到无病毒的幼苗进行种植。获得无病毒幼苗的最佳方法是（）
A.选择优良品种进行杂交
B.进行远缘植物体细胞杂交
C.利用芽尖进行组织培养
D.人工诱导基因突变
【答案】C
【解析】芽尖分生能力旺盛，几乎不含病毒，可以通过芽尖组织培养获得脱毒苗
2.甘薯由于能增强免疫功能、防癌抗癌、抗衰老、防止动脉硬化等越来越被人们喜爱。但甘薯属于无性繁殖作物，具有自交不育和杂交不亲和性，这是甘薯的生产和育种存在诸多难以解决的问题。下列说法错误的是（）
A.利用组织培养繁殖甘薯的技术称为快速繁殖
B.利用茎尖分生组织培养脱毒苗，使植株具备抗病毒的能力，产品质量得到提高
C.可以通过植物细胞培养获得酚类等植物生长非必须的次生代谢物
D.利用培养的愈伤组织进行诱变育种，可以显著提高变异频率
【答案】B
【解析】
3.植物快速繁殖技术是利用植物组织培养技术进行快速繁殖优良品种的一种方法，A项正确；茎尖等部位的病毒，利用茎尖分生组织可能培养出不带病毒的优良品种，即脱毒苗，脱毒苗不等于抗毒苗，脱毒苗不能使植株具有抗病毒的能力，B项错误；一般将不是植物基本的生命活动所必须的产物称为次生代谢产物，他是一类小分子有机化合物。可以通过细胞培养获得，C项正确；愈伤组织具有分裂旺盛的特点，适合做为诱变育种的材料，能提高突变频率，D项正确
下图表示番茄植株（HhRr）作为实验材料培育新品种的途径，据图分析下列正确的是（）
A.品种A植株与途径3中番茄幼苗基因型相同的概率为1/4
B.途径4的育种原理为基因重组和染色体畸变
C.途径2为花药离体培养，用秋水仙素处理萌发的种子可以得到纯合的二倍体番茄
D.途径3对叶肉细胞进行培养时，可适当施用少量生长素使愈伤组织分化成根和茎叶
【答案】A
【解析】
品种A植株是HhRr自交产生的后代，途径3中的番茄幼苗是通过组织培养形成的，基因型为HhRr，品种A植株的基因为HhRr的概率为1/4，品种A与途径3中的番茄幼苗基因相同的概率为1/4，A正确；途径4为诱变育种，原理为基因突变，B项错误；途径2为单倍体育种，单倍体植株不可育，没有种子，用秋水仙素处理单倍体幼苗可以得到纯合的二倍体番茄，C项错误；在植物组织培养时，需要添加植物激素，其中生长激素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。植物激素的浓度、使用的先后顺序及用量都会影响实验结果，D错误
4.如图为利用突变体育种技术获得抗除草剂白三叶草新品种的过程。下列叙述不正确的是（）
A.该育种过程依据的原理有基因突变和植物细胞的全能性
B.过程①②培养基中,不同植物生长调节剂的浓度比例不同
C.白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中DNA和RNA种类相同
D.过程④通常采用的筛选方法是向白三叶草幼苗喷洒除草剂
【答案】C
【解析】
白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中DNA种类相同，但因为基因的选择性表达，RNA和蛋白质的种类是有差异的
5.下列有关植物细胞工程应用的叙述错误的是（）
A.利用植物组织培养技术培育脱毒苗，获得抗病毒的新品种
B.利用植物组织培养技术进行植物的快速繁殖，能保持亲本的优良形状
C.利用细胞培养技术获得紫草素，实现了细胞产物的工厂化生产
D.利用组物体细胞杂交技术获得“萝卜—甘蓝”，克服不同生物远缘杂交的障碍
【答案】A
【解析】
利用植株组织培养技术可以得到脱毒苗，但脱毒苗不一定具有抗病毒的能力；利用组织培养技术进行快速繁殖，该技术为无性生殖，可保留母本的优良性状；在植物组织培养的愈伤组织阶段可得到大量细胞，通过细胞代谢可产生大量细胞产物。
6.如图表示利用棉花叶肉细胞原生质体进行遗传改良的过程，下列叙述正确的是( )
A.②过程能定向诱导原生质体产生优良性状的突变
B.③过程是否再生出细胞壁，可以用质壁分离实验来检测
C.④过程脱分化需用适宜配比的生长素和细胞分裂素处理
D.操作前需将离体的棉花叶肉细胞用体积分数为70%的酒精消毒30min
【答案】 B
【解析】
分析题图:图示表示利用棉花叶肉细胞原生质体培养进行遗传改良的过程，其中①表示采用酶解法去除细胞壁，获得原生质体的过程;②表示人工诱变过程;③表示脱分化形成愈伤组织的过程;④表示再分化过程;③④表示植物组织培养过程，其原理是植物细胞的全能性。
A、②表示人工诱变过程，但基因突变是不定向的，A错误;
B、③过程是否再生出细胞壁，可以用质壁分离实验来检测，B 正确;
C、④表示再分化过程，决定植物脱分化和再分化的关键因素是植物激素的种类和比例，错误;
D、操作前需将离体的棉花叶肉细胞用体积分数为70%的酒精消毒6~7s，D错误。故选B。

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