资源简介

2.1 植物细胞工程
学习目标：
1．概述植物组织培养和植物体细胞杂交技术的原理和过程。【生命观念】
2．举例说明植物细胞工程的应用有效提高了生产效率。【生命观念】
3．尝试进行植物组织培养。【科学探究】
学习重点：
1．植物组织培养的原理和过程。
2．植物体细胞杂交技术的原理。
3．植物细胞工程应用的实例
学习难点：
植物组织培养的实验。
知识导航
一、植物细胞的全能性
细胞全能性：细胞经分裂、分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。
特别提醒
1.在植物体生长发育过程中，并不是所有的细胞都表现出全能性。
2.植物细胞表现全能性的条件
①离体状态。
②营养物质：种类齐全、比例合适。
③植物激素：生长素、细胞分裂素。
④外界条件：适宜的温度、pH和光照(愈伤组织的形成和生长需要避光培养，分化培养需照光)等。
⑤无菌操作。
3.必须要离体的原因是：生物体内的活细胞尽管具有全能性，但受基因选择性表达的调控，一般都要进行定向的、不可逆的细胞分化，不能表现其全能性。
4.细胞分化指在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程，叫作细胞分化。例如由种子发育成植株的过程中要经过细胞分化，以形成不同的组织和器官。
5.脱分化指在一定激素和营养等条件的诱导下，植物已经分化的细胞失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成薄壁组织团块(愈伤组织)的过程。
6.再分化指愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。
7.全能性表达过程
①脱分化：让已经分化的细胞经过诱导后，失去其特有的结构和功能，转变成未分化细胞的过程。
②再分化：脱分化产生的愈伤组织，在一定的培养条件下，再分化出芽、根等器官，进而形成完整的小植株。
③激素的作用：植物激素中生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。
二、植物细胞工程的基本技术
1.植物细胞工程的基本技术包括植物组织培养和植物体细胞杂交
2.植物组织培养和植物体细胞杂交的原理、过程、应用比较
比较项目 植物组织培养 植物体细胞杂交
原理(理论基础) 细胞的全能性 细胞膜具有一定的流动性和细胞的全能性
选材 选取根尖、茎尖、形成层部位(最容易诱导脱分化) 不同植物细胞(融合后形成杂种细胞)
技术操作 脱分化、再分化 ①除脱分化、再分化外，还要用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁；②用物理法(电融合法、离心法)或化学法[聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法]诱导细胞融合
应用 ①快速繁殖、作物脱毒等；②培育新品种；③生产细胞产物 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种
关系 植物组织培养是植物体细胞杂交的基础，植物体细胞杂交所用的技术更复杂
三、植物繁殖的新途径
1.微型繁殖：高效快速地实现种苗的大量繁殖；无性繁殖，保持优良品种的遗传特性；不受自然生长季节的限制，可实现产业化生产。
2.作物脱毒：
①马铃薯和草莓都是无性繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传播给后代。病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低，品质变差。
②分生区（如茎尖、根尖：病毒极少，甚至无毒），从这些地方取材经组织培养可获得脱病毒苗。
③脱病毒苗能够明显使农作增产。
3.人工种子：
以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。
人工种子培育的过程：外植体→脱分化形成愈伤组织→再分化形成胚状体→胚状体+人工胚乳+人工种皮→人工种子
人工种皮：抗压、保水、透气；胚状体：具有发育成完整植株的能力；人工胚乳：保证胚状体生长发育的必需物质
四、作物新品种的培育
1.单倍体育种
①花药(或花粉)离体培养过程就是植物组织培养过程。单倍体育种的优点是后代不发生性状分离，都是纯合子，能够稳定遗传，明显缩短了育种年限。
②原理：植物细胞具有全能性、染色体数目变异。
③方法：花药离体培养得到单倍体幼苗，秋水仙素处理抑制有丝分裂前期纺锤体的形成，染色体加倍得到稳定遗传（纯合子）的优良品种。
④过程：花药（脱分化）→愈伤组织（再分化）→单倍体植株→秋水仙素或低温诱导加倍→正常纯合植株。
2.突变体的利用：
在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此它们容易受到培养条件和诱变因素(如射线、化学物质等)的影响而发生突变。从产生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。
植物产物的工厂化生产
1.细胞产物的种类：糖类、脂肪、蛋白质、香料、色素、药物、生物碱等。
2.植物产物工厂化生产的过程
外植体（脱分化）→愈伤组织→分散形成细胞悬液→发酵，获得细胞产品→提纯
习题巩固
1．下列有关植物细胞工程应用的叙述，错误的是（　　）
A．利用组织培养技术培育脱毒苗，获得具有抗病毒的新品种
B．利用组织培养技术获得人工种子，能保持亲本的优良性状
C．利用组织培养技术获得紫草素，实现了细胞产物的工厂化生产
D．利用植物体细胞杂交技术获得“萝卜—甘蓝”，克服了不同生物远缘杂交的障碍
2．研究发现，水稻3号染色体上的基因E可决定水稻对氮、磷、钾元素有效吸收的特性，利于增强光合作用，同时该基因对水稻早熟和高产也有直接影响。下列分析错误的是（ ）
A．E可能直接控制K+载体的合成
B．E可以影响多个生物性状
C．E的根本来源是基因重组
D．通过单倍体育种可获得EE个体
3．（2024·山东高三二模）植物原生质体培养技术是以细胞全能性为理论基础建立的一种离体培养技术，首先用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞的细胞壁得到原生质体，然后向原生质体中导入抗病基因或含有抗病基因的DNA片段，再将其转移至合适的环境中，再生细胞壁、形成愈伤组织、得到胚状体，最终发育成完整的植株，下列说法正确的是（ ）
A．该培养过程中，细胞壁的再生需要经过内质网的作用
B．诱导形成愈伤组织的培养基中生长素所占比值一定高于细胞分裂素
C．将导入外源基因的原生质体培养至愈伤组织，体现了植物细胞的全能性
D．从原生质体到愈伤组织的过程中，基因进行了选择性表达
4．（2023·湖北高二期中）下列有关植物细胞工程的应用叙述错误的是（ ）
A．微型繁殖可高效快速的实现种苗的大量繁殖
B．作物脱毒可提高作物的产量和品质
C．人工种子是由受精卵发育而成，不受季节，气候和地域的限制
D．与传统杂交育种相比单倍体育种可明显缩短育种年限
5．生产中培育香蕉脱毒苗的常用方法是（ ）
A．选择与优良品种杂交 B．进行远缘植物体细胞杂交
C．取一定大小的茎尖进行组织培养 D．人工诱导基因突变
6．（2024·宾县第二中学高二月考）制备植物原生质体过程中，用到的酶是（　　）
A．胰蛋白酶 B．限制性核酸内切酶
C．纤维素酶和果胶酶 D．肽酶
7．植物体细胞杂交所利用的原理包括（　　）
①细胞膜的流动性　②细胞的全能性　③基因结构的相对独立性
A．① B．② C．①② D．①②③
8．（2023·宾县第二中学高二月考）植物组织培养中的“脱分化”过程是指（　　）
A．已休眠的种子经过处理使种子尽快萌发的过程
B．植物根尖、茎尖等处分生组织细胞有丝分裂产生新细胞后分化为各种组织
C．愈伤组织细胞分化为根与茎的过程
D．离体的植物组织、细胞培养产生愈伤组织的过程
9．下图示“番茄—马铃薯”杂种植株的培育过程，其中①~⑤表示过程，字母表示细胞、组织或植株。下列说法不正确的是（ ）
A．①表示等渗溶液中用纤维素酶和果胶酶处理植物细胞获得原生质体
B．e是一团有特定结构和功能的薄壁细胞
C．可根据质壁分离现象鉴别杂种细胞的细胞壁是否再生
D．植物基因工程和植物体细胞杂交都能克服远缘杂交不亲和的障碍
10．（2024·辽宁鞍山市·高二月考）在菊花的组织培养操作完成了3－4天后，观察同一温室中的外植体，发现有的外植体正常生长，有的外植体死亡，你认为外植体死亡的原因可能是（ ）
①外植体来自衰老的植物组织，其中细胞活性低或结构不完整
②愈伤组织形成初期没有给予充足的光照
③接种时培养基灭菌不彻底，接种工具灼烧后未待冷却就接种外植体
④培养过程中保持温度、pH的适宜，但没有及时调整各种营养物质、激素的比例
A．①②③ B．①③④ C．②③④ D．①②④
答案
ACDCC CCDBB

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