资源简介

第 2 章 细胞工程
第1节 植物细胞工程的基本技术
年级 高二年级 授课时间 1课时
课题 第1节 植物细胞工程（第一课时） 植物细胞工程的基本技术
教材分析 本节是第 2 章 细胞工程的开篇与基础，承担着从细胞水平认识植物生物技术原理、建立完整技术逻辑的关键任务，为后续学习植物细胞工程应用、动物细胞工程奠定理论与思维基础，地位十分重要。 从知识结构看，本节内容遵循 “理论基础 — 核心技术 — 技术流程”的清晰主线。第一部分以植物细胞全能性为理论核心，为整个植物细胞工程提供依据；第二部分聚焦植物组织培养，以 “脱分化→再分化→形成完整植株” 为主线，将无菌操作、营养条件、激素调控等分散要点整合为一套完整技术体系，是落实知识目标、培养科学思维的核心载体；第三部分初步介绍植物体细胞杂交，实现从 “个体再生” 到 “细胞融合创新” 的拓展，体现细胞工程的技术高度。 教材编写特点是原理抽象与流程直观相结合。细胞全能性概念理论性强、理解难度大，需要教师结合实例与对比分析帮助学生建构概念；组织培养流程逻辑性强、环节紧密，教学中要借助流程图与经典实验，把抽象过程 “可视化”，引导学生理清各步骤的内在联系。教学时不宜停留在流程记忆，应突出原理 — 条件 — 结果的对应关系，帮助学生从 “记住步骤” 上升到理解技术、建立工程思维，实现从感性认识到理性分析的提升。
教学目标 【知识目标】 1.理解植物细胞的全能性概念，明确其作为植物细胞工程理论基础的核心地位。 2.掌握植物组织培养的原理、过程（脱分化 → 再分化 → 形成完整植株）及关键操作环节。 3.了解植物体细胞杂交技术的基本原理、操作流程及其实践意义。 【素养目标】 1.生命观念：理解植物细胞全能性的物质基础，形成 “结构与功能相适应”“遗传信息控制生命发育” 的生命观念；认识植物细胞工程技术对改造和利用植物生命活动规律的意义。 2.科学思维：通过分析植物组织培养和体细胞杂交的技术流程，培养逻辑推理与系统分析能力；能够运用细胞全能性等理论解释植物细胞工程的技术原理。 3.科学探究：能够分析植物组织培养的实验设计思路与关键变量控制；能绘制植物组织培养的技术流程图，并设计简单的实验验证植物细胞的全能性。 4.社会责任：了解植物细胞工程在作物育种、生物制药、环境保护等领域的应用价值，认识生物技术对保障粮食安全、改善生态环境的重要作用，形成科学看待生物技术应用与发展的态度。
教学重、难点 教学重点 1.植物细胞全能性的概念、原因及表达条件。 2.植物组织培养的原理、过程（脱分化、再分化）与操作要点。 3.植物体细胞杂交的原理、大致过程及意义。 教学难点 1.细胞全能性与植物组织培养的内在逻辑关系。 2.脱分化与再分化的区别、条件及调控机制。 3.植物体细胞杂交中原生质体融合的原理与筛选理解。
教学过程
教学内容 教师活动 学生活动
细胞工程 【播放视频】 教师播放细胞工程的视频，引导学生思考细胞工程相应技术。 【知识讲解】 概念：指应用细胞生物学、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。P31 教师讲授植物细胞工程的发展历程（科技探索之路） 1974年 土壤农杆菌的Ti质粒被发现。之后，该质粒应用于植物分子生物学领域，促进了植物细胞工程与分子生物学技术的紧密结合。 1971年 卡尔森诱导烟草种间原生质体融合，获得了第一株体细胞种间杂种植株。 1964年 古哈等在培养毛曼陀罗的花药时，首次得到了由花药中的花粉粒发育而来的胚。 1960年 科金用真菌的纤维素酶分解番茄根的细胞壁，成功获得了原生质体 1958年 斯图尔德等发现胡萝卜的体细胞可以分化为胚，为细胞全能性理论提供了强有力的支持。 1902年 哈伯兰特提出细胞全能性的理论，但相关实验尝试没有成功。 学生：观看视频，思考培育克隆羊等生物需要哪些原理。 学生观看教师展示的PPT，思考回答相应问题。 学生认真听讲，对植物细胞工程的发展历程有整体的理解和认知。
新课导入 教师展示PPT内容，引导学生思考相应问题： 从古至今，我国人民都把兰花看作高洁、典雅的象征，很多人喜欢养兰花。但是，兰花种子通常发育不全，在自然条件下萌发率极低；传统分株繁殖的方法又存在繁殖周期长、繁殖率低等问题，如果靠自然繁殖，兰花的价格可想而知了。 思考：如何能让名贵的兰花大量、快速地繁殖，从而走入寻常百姓家呢？ 学生根据教师的引导，思考问题，尝试回答相应问题。
新知探究 一、细胞的全能性 【知识讲解】 教师根据学生回答，展示细胞的全能性的PPT ，适当一边引导学生思考，一边讲解，让学生充分理解相应知识点。 1.概念 细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。 2.原因 生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质。 3.体现全能性的标志 细胞→完整个体或其他各种细胞 思考：在生物的生长发育过程中，所有细胞都能表现出全能性吗？原因？ 不是，比如芽原基细胞只能发育为芽，叶原基细胞只能发育为叶。 4.细胞全能性的大小 ①不同细胞的全能性： 受精卵＞胚胎干细胞＞生殖细胞（卵细胞＞精子）＞体细胞 ②不同生物的细胞全能性： 植物细胞＞动物细胞 ③体细胞的全能性： 幼嫩的细胞＞衰老的细胞 分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞 分裂能力强的细胞＞分裂能力弱的细胞 5.植物细胞表现出全能性的条件 1958年Steward利用胡萝卜韧皮部诱导分化产生了胚状体，这是人类第一次获得了人工胚状体，并获得个体植株。（必修一 P118-121） 学生认真聆听并做笔记。 学生回应互动，思考问题，明确本模块的核心知识。 学生观看PPT视频并阅读课本，小组合作讨论完成任务。
习题巩固 教师展示PPT上的试题并引导、督促学生认真答题，根据学生的答题情况，及时得到反馈，针对性补充讲解相关知识。 1.是不是所有的活细胞都具有全能性？ 不是，例如哺乳动物成熟的红细胞、植物成熟的筛管细胞。 2.种子发育成植株是否体现了细胞的全能性？ 没有，植物种子中的胚已完成了早期发育，相当于新植物体的幼体，没有体现出细胞具有发育成完整植株的潜能。 3.下列关于细胞全能性的叙述，不正确的是（ ） A.受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体，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.卵细胞与受精卵一样，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：3.C 学生思考回答问题，加深对细胞的全能性相关概念的理解。
二、植物组织培养技术 【知识讲解】 教师展示PPT，讲解知识点，引导学生思考并做笔记。 1.概念 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，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。 2.原理 植物细胞的全能性 3.生殖方式 无性生殖 4.分裂方式 有丝分裂 5.植物组织培养的流程 脱分化 ①概念：在一定的激素和营养等条件的诱导下，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的过程。 ②结果：形成愈伤组织 细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、不定形的薄壁组织团块。 ③光照条件：一般不需要光照 注：该过程只有细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化。 再分化 ①概念：愈伤组织能重新分化成芽、根等器官的过程。 ②实质：基因的选择性表达 ③光照条件： 注：该过程既有细胞增殖（有丝分裂），又有细胞分化。 探究 实践 菊花的组织培养 1.实验原理 （1）植物细胞一般具有全能性。 （2）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和再分化，形成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株。 （3）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，它们的浓度、比例等都会影响植物细胞的发育方向。 巧记：高根低芽中愈伤 2.材料用具 （1）外植体：幼嫩的菊花茎段(细胞分裂能力强，容易诱导形成愈伤组织) （2）体积分数为70%的酒精：对手、超净工作台、外植体进行消毒 （3）质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液：对外植体进行消毒 （4）无菌水：清洗外植体 （5）培养基（植物组织培养常用的培养基配方P116-参见本书附录1） 无机营养成分：水和无机盐 有机营养成分：蔗糖、氨基酸、维生素等 特定浓度和比例的激素：主要是生长素和细胞分裂素 拓展延伸 植物组织培养实验常用的培养基配方 1）培养基名称：MS培养基 ； 2）物理性质：固体培养基； 3）碳源：有机碳源（蔗糖）。 植物组织培养实验常用的培养基配方 3.方法步骤 菊花的组织培养 ①外植体消毒 ②外植体切段 将消过毒的外植体置于无菌的培养皿中，用无菌滤纸吸去表面的水分。用解剖刀将外植体切成0.5～1cm长的小段。 ③接种外植体 在酒精灯火焰旁，将外植体的1/3～1/2插入诱导愈伤组织的培养基中。用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上做好标记。 注意：接种外植体时，不要倒插！（将“形态学上端”朝上） ④诱导脱分化 将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于18～22 ℃的培养箱中培养。定期观察和记录愈伤组织的生长情况。 遮光培养：有光照容易产生维管组织,不利于形成愈伤组织。 ⑤诱导再分化 将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上。长出芽后，再将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。 注意诱导顺序：先诱导生芽，再诱导生根（若先生根后面就不易生芽）。 需要给予适当时间和强度的光照：有光照有利于诱导叶片内叶绿素的合成。 ⑥移栽培养 炼苗：移栽试管苗前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日。 移栽：用流水清洗掉根部的培养基后，将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中，待其长壮后再移栽入土。 观察：每天观察并记录幼苗的生长情况，适时浇水、施肥，直至开花。 4.结果分析与评价 （1）接种3~4d后，检查外植体的生长情况，统计有多少外植体被污染，试分析它们被污染的可能原因。 培养基、接种工具灭菌不彻底； 外植体消毒不彻底； 操作过程不符合无菌操作要求等。 （2）从刚接种的外植体到长出愈伤组织需经历多少天？ （3）为什么要进行一系列的消毒，灭菌，并且要求无菌操作？ 原因是避免杂菌在上面迅速生长消耗营养，且有些杂菌会危害培养物生长。 （4）杂菌和植物细胞之间有哪些关系？ 竞争或寄生。 5.进一步探究 探究生长素与细胞分裂素比例对植物组织培养的影响，如何设计对照实验？ ①空白对照：不加任何激素； ②实验组1：生长素用量与细胞分裂素用量的比值为1； ③实验组2：生长素用量与细胞分裂素用量的比值大于1； ④实验组3：生长素用量与细胞分裂素用量的比值小于1。 学生阅读课本，学生思考并认真做笔记。 学生回应互动，明确植物组织培养技术的内容。 学生观看视频并阅读课本，小组合作讨论总结植物组织培养的流程。 学生认真观看视频，之后思考问题4。 学生积极回应互动，自主完成实验。 回应互动，认真聆听并做笔记。
课堂小结 回应互动，认真聆听并适当补充笔记。
习题巩固 教师展示PPT上的试题，引导学生认真完成习题，及时巩固。 1.（2025·江苏·高考真题）图示一种植物组织培养周期，①~③表示相应过程。下列相关叙述错误的是（ ） A．过程①发生了细胞的脱分化和有丝分裂 B．过程②经细胞的再分化形成不同种类的细胞 C．过程②③所用培养基的成分、浓度相同 D．培养基中糖类既能作为碳源，又与维持渗透压有关 2.（2024·广东广州·一模）春秋姜黄是集观赏和食用等价值为一体的新型花卉，传统的根茎繁殖方式存在着速度慢、易染病等问题，植物组织培养技术为其提供了高效的繁殖途径。下列叙述，错误的是（　　） A．在接种前对外植体进行消毒，并在火焰旁进行接种可减少污染 B．从接种外植体到形成试管苗的过程中，需将其转接到不同的培养基 C．将愈伤组织接种到含生长素浓度较高的培养基中，更利于诱导其生芽 D．移栽幼苗前通常先将其移植到消过毒的环境中，待其长壮后再移栽入土 3.（2024·广东汕头·二模）武夷岩茶“大红袍”香气馥郁、滋味醇厚。研究者利用高品质茶树的茎作为外植体进行植物组织培养，实现其快速繁殖。下列做法错误的是（ ） A．外植体需先用乙醇后用次氯酸钠进行消毒 B．接种外植体应倒插入诱导愈伤组织培养基 C．诱导形成愈伤组织时一般不需要给予光照 D．试管苗移栽的基质可以是消过毒的珍珠岩 作为化学防治的重要手段，可用于防治病虫害 答案：1.C 2.C 3.B 学生思考回答问题，加深对植物组织培养技术相关概念的理解。 .
三、植物体细胞杂交技术 【提问】教师展示PPT上的问题引导学生思考 20世纪60年代，科学家尝试将番茄和马铃薯杂交，希望培育出一种地上结番茄、地下长马铃薯的“超级作物”。 思考1：用传统的有性杂交方法能得到杂种后代吗？为什么？ 不能；因为不同物种之间存在着生殖隔离。 思考2：有没有一种方法可以打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，获得“番茄-马铃薯杂种植株”呢？ 植物体细胞杂交技术 【知识讲解】 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 【讨论】 1.两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.用什么方法可以温和地去除细胞壁？原理？ 方法：酶解法（用纤维素酶和果胶酶） 原理：利用酶的专一性 3.去除细胞壁之后的结构是什么？ 原生质体 区分原生质体和原生质层： 原生质体：指的是脱去细胞壁的细胞，包括细胞膜、细胞质、细胞核。 原生质层：成熟植物细胞的细胞膜、液泡膜和介于这两层膜之间的细胞质。 4.怎样诱导两个原生质体的融合？与细胞膜的什么特性有关？ 方法： 物理方法：①电融合法 ②离心法等 化学方法：①聚乙二醇(PEG)融合法 ②高Ca2+-高pH融合法 原理: 细胞膜具有流动性 5.诱导融合后获得的所有细胞一定是需要的杂交细胞吗？ 不一定 6.细胞融合后，共有几种细胞类型？融合细胞有几种（只考虑两两融合），符合要求的是哪种？ 培养基中共有 5 种细胞类型： 融合类型：AA、BB、AB 未融合类型：A、B 因此要对融合细胞进行筛选，筛选出所需融合类型：AB。 7.“番茄—马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上结番茄，地下长马铃薯，这是为什么？ 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“番茄-马铃薯”杂种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相互干扰，不能像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达。 【知识讲解】 教师展示PPT,根据前面学生的解答进一步解说知识点。 （1）去除细胞壁 （2）诱导融合 （3）再生细胞壁 （4）植物组织培养 3.意义 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等。 4.缺点 有可能杂交不成功，即使杂交成功也可能不产生人们想要的性状。 5.实例 分析：白菜（2N=18）与甘蓝（2N=18）体细胞杂交所得植株白菜-甘蓝的细胞染色体数为36，属于（异源）四倍体。该植株可育（可育/不可育）。 6.变异类型 染色体数目变异 7.生殖方式 无性繁殖（育种过程中不遵循孟德尔定律） 【3D交互动画演示】 教师展示植物体细胞杂交技术3D演示的PPT, 学生积极思考教师在PPT上展示的问题。小组讨论尝试回答问题。 学生认真听讲适当补充笔记。 学生积极参与教师在PPT上展示的活动，更深入的掌握本节重点知识。
课堂小结 回应互动，认真聆听并适当补充笔记 ，加深植物组织培养与植物体细胞杂交技术的比较的掌握。
习题巩固 教师展示PPT上的试题，引导学生认真完成习题，及时巩固。 1.(2023·广东·高考真题)人参皂苷是人参的主要活性成分。科研人员分别诱导人参根与胡萝卜根产生愈伤组织并进行细胞融合，以提高人参皂苷的产率。下列叙述错误的是(　　) A．细胞融合前应去除细胞壁 B．高Ca2＋-高pH溶液可促进细胞融合 C．融合的细胞即为杂交细胞 D．杂交细胞可能具有生长快速的优势 2.（2025·广西南宁·一模）甘蔗是广西重要的经济作物。为解决某甘蔗品种抗病性的问题，有研究者提出可以尝试利用植物体细胞杂交技术，将野生甘蔗（抗病性强）细胞与栽培甘蔗（高产）细胞进行融合，培育新型甘蔗品种，其设计的主要流程如图所示。下列叙述正确的是（　　） A．过程①中使用纤维素酶和果胶酶处理的目的是得到有活性的原生质体 B．过程②常使用灭活的病毒诱导原生质体M和原生质体N的融合 C．过程③中杂种细胞经脱分化形成愈伤组织体现了植物细胞的全能性 D．过程④得到的杂种植株一定能同时表现出抗病性强与高产的特性 3.（2025·河北·一模）白菜(2n=20)和甘蓝(2n=18)是比较常见的蔬菜，白菜-甘蓝是“人工创造物种”，它结合了白菜和甘蓝的优点。如图所示为白菜-甘蓝的培育过程。下列相关叙述正确的是（　　） A．在低渗的酶解液中完成①过程，有利于更好地获得原生质体 B．②过程中发生融合的原生质体都符合要求 C．④过程中要根据不同阶段的要求调整培养基中生长素和细胞分裂素的比例 D．白菜-甘蓝细胞中不存在同源染色体，因此其只能进行无性生殖 答案：1. C 2. A 3.C 学生思考回答问题，加深对本章发酵工程相关概念的理解。
课堂小结 回应互动，认真聆听并适当补充笔记 ，加深对植物细胞工程基本技术的理解。
练习与应用 1.下图是利用甲、乙两种植物的各自优势，通过植物细胞工程技术培育高产、耐盐的杂种植株的实验流程图。下列相关叙述错误的是( ) A.进行a处理时能用胰蛋白酶 B.b是诱导融合后得到的杂种细胞 C.c是培养后得到的具有耐盐性状的幼芽 D.进行d选择时要将植株种在高盐环境中 2.科学家在制备原生质体时，有时使用蜗牛消化道提取液来降解植物细胞的细胞壁。据此分析，蜗牛消化道提取液中可能含有什么成分？ 纤维素酶和果胶酶。 3.（2025·河北邢台·一模）科研工作者以蝴蝶兰叶为材料进行实验，将叶基部与叶中部作为外植体接种于相同MS培养基中，培养30 天后，结果如图所示。下列有关分析错误的是（　　） A．与叶中部细胞相比，叶基部细胞含有分生细胞，分化程度低，易脱分化 B．根据信息推测，TDZ 可能是一种细胞分裂素类植物生长调节剂 C．配制MS培养基时添加蔗糖既可以提供碳源，也可以维持渗透压 D．若将获得的愈伤组织在原有培养基上持续培养，可分化出根、芽等器官 4.（2026·重庆·一模）某杂种植株的获取过程如图所示。下列叙述错误的是（ ） A．图示②过程培养基以葡萄糖为碳源,同时可调节渗透压 B．可使用无菌水冲洗消毒后的叶片2~3次,以避免消毒液对细胞产生毒害 C．图示①过程可用聚乙二醇诱导原生质体融合,以获得杂种细胞 D．杂种细胞经②过程培育成杂种植株说明杂种细胞具有全能性 5.科学家利用植物体细胞杂交技术成功获得了“番茄—马铃薯”杂种植株，为了便于杂种细胞的筛选和鉴定，科学家利用红色荧光和绿色荧光分别标记番茄和马铃薯的原生质体膜上的蛋白质，其培育过程如下图所示，请据图回答问题： (1)过程①常用的方法是酶解法，细胞融合完成的标志是杂种细胞再生出新的细胞壁。 (2)番茄和马铃薯的原生质体能发生融合的生物学原理是 细胞膜的流动性，诱导融合常利用的物理方法电融合法。 (3)植物原生质体诱导融合后，在鉴定杂种原生质体时可用显微镜观察，根据细胞表面荧光的不同可观察到3种不同的原生质体（只考虑细胞两两融合的情况），当观察到 细胞表面既有红色荧光又有绿色荧光时可判断该原生质体是由番茄和马铃薯融合而成的。 (4)若番茄细胞内有m条染色体，马铃薯细胞内有n条染色体，则“番茄—马铃薯”细胞在有丝分裂后期含2m+2n 条染色体。
板书设计 （一）植物组织培养技术 原理：植物细胞全能性 完整流程： 关键要点： 脱分化：形成高度液泡化、无定形薄壁细胞（愈伤组织） 再分化：调控激素比例分化器官 激素调控：生长素 / 细胞分裂素比例决定分化方向 （二）植物体细胞杂交技术 核心目的：克服远缘杂交不亲和障碍
教学反思 本节课作为植物细胞工程的开篇，核心任务是帮助学生建立 “细胞全能性” 的核心概念，并理解植物组织培养的基本原理与流程。结合重点班学生的特点，我在教学中注重原理的深度剖析和科学思维的培养，同时也发现了一些需要改进的地方。 在教学亮点上，我通过 “种子萌发 vs 花粉离体培养” 的对比，有效区分了 “个体发育” 与 “细胞全能性” 的本质差异，帮助学生精准把握了核心概念。同时，利用流程图和动画演示，将抽象的 “脱分化”“再分化” 过程直观化，学生对激素调控分化方向的理解更加深刻。当堂检测题的设计也有效锻炼了学生的逻辑推理和科学探究能力，重点班学生的表现整体达标。 但教学中也存在不足：时间分配略显紧张，在讲解植物体细胞杂交的原生质体融合环节时，学生追问较多，导致应用部分的讨论不够充分；情境创设可更深入，与学生生活的联系仍可加强；分层教学有待加强，部分学有余力的学生未能获得足够的拓展空间。 针对以上问题，我将在下次授课时优化时间管理，将体细胞杂交的深度讨论移至第二课时，第一课时聚焦于 “全能性” 和 “组织培养” 两大核心；补充本地植物脱毒苗培育的案例，增强学生的代入感；并设计课后探究任务，满足重点班学生更高层次的学习需求。 本节课基本达成了预设的教学目标，未来我将继续在 “精准” 和 “深度” 上下功夫，让生物技术的学习不仅停留在知识层面，更能激发学生对科学的热爱。
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