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第2章 细胞工程
第1节　植物细胞工程
第1课时　植物细胞工程的基本技术
课时目标 1.运用结构与功能观，阐明植物组织培养的条件控制。(生命观念)
2．采用模型与建模、归纳与概括的方法，阐明植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术的过程。(科学思维)
3．尝试利用给定的实验方案和步骤，进行植物组织培养的实验。(科学探究)
4．分析植物体细胞杂交在育种方面的优点和缺点。(社会责任)
一、植物组织培养技术
1．细胞工程的概念
2．植物组织培养技术
(1)概念：将 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 的技术。
(2)原理：植物细胞一般具有 。
①细胞的全能性：细胞经分裂和分化后，仍然具有产生 或分化成其他 的潜能。
②分化的细胞不能表现出全能性的原因：在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会 。
离体的植物器官、组织或细胞
完整植株
全能性
完整生物体
各种细胞
选择性地表达
(3)基本过程
(4)相关概念
①外植体： 的植物器官、组织或细胞等。
②愈伤组织： 组织团块。
③脱分化：在一定的激素和营养等条件的诱导下， 的细胞，失去其特有的结构和功能，转变成 细胞的过程。
④再分化：愈伤组织重新 成芽、根等器官的过程。
离体
不定形的薄壁
已经分化
未分化
分化
(5)操作实例——菊花的组织培养
二、植物体细胞杂交技术
1．概念：将 的植物体细胞，在一定条件下融合成 ，并把杂种细胞培育成新 的技术。
2．过程
不同来源
杂种细胞
植物体
(1)过程a使用的酶是 和 。
(2)过程b诱导原生质体融合的方法
①物理法： 法、离心法等。
②化学法： (PEG)融合法、高Ca2+—高pH融合法等。
(3)过程c和过程d依次是 和 。
3．意义：打破生殖隔离，实现 育种，培育植物新品种。
纤维素酶
果胶酶
电融合
聚乙二醇
脱分化
再分化
远缘杂交
◆名师点睛
1．细胞全能性的提醒
(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具有发育成完整个体所必需的“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。
(3)植物的种子发育成完整植株，不能体现细胞的全能性。因为种子的胚其实是植物的幼体，发育成植株是自然生长过程，故未体现全能性。
(4)高度分化的动物细胞的细胞核也具有全能性。
2．植物组织培养的提醒
(1)菊花的组织培养，一般选择未开花植株的茎上部新萌生的侧枝。
(2)诱导脱分化时，通常需要避光培养；诱导再分化时，通常需要给予适宜的光照。
3．植物体细胞杂交的两个原理
(1)原生质体融合的过程利用了细胞膜的流动性。
(2)杂种细胞发育成杂种植株利用了植物细胞的全能性。
◆基础速判(对的画“√”，错的画“×”)
1．植物体的任何细胞都具有全能性，也都能表现出全能性。(　　　　)
2．脱分化和再分化是植物组织培养的重要过程。(　　　　)
3．在植物组织培养时，对外植体要进行灭菌处理。(　　　　)
4．诱导生芽的培养基和诱导生根的培养基完全一样。(　　　　)
5．植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种细胞。(　　　　)
6．植物体细胞杂交利用了植物组织培养技术。(　　　　)
×
√
√
×
×
×
◆思维启迪
1．诱导愈伤组织期间一般不需要光照，在后续的培养过程中为什么需要提供适宜的光照？
提示：叶绿素的合成需要光照。
2．白菜和甘蓝染色体数目分别是20和18，利用植物体细胞杂交获得的白菜—甘蓝新品种的体细胞中染色体数目是多少？
提示：38。
任务一 植物组织培养技术
下图为菊花植物组织培养流程图。
[问题探究]
1．选用菊花的外植体时，一般选用幼嫩的茎段，其原因是什么？
答案：幼嫩的茎段细胞分裂旺盛，含有的病毒少，全能性高，容易诱导形成愈伤组织，其他部分如叶、花全能性低。
2．植物组织培养所用的培养基中，在启动细胞分裂、脱分化和再分化过程中起关键作用的激素是什么？
答案：细胞分裂素和生长素。
3．在植物组织培养的过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？
答案：培养物一旦受到微生物的污染，这些微生物会和外植体争夺培养基中的营养物质，并且产生大量对外植体有害的物质，导致外植体死亡。
1．体现细胞全能性的条件
材料 离体的植物细胞、组织或器官等
培养基 种类齐全、比例合适的营养物质及一定比例的植物激素
外界条件 ①无菌操作
②光照：诱导愈伤组织时一般不需要光照，再分化时需要适宜光照
2.激素调控
培养基中生长素和细胞分裂素的比值调控植物组织培养进程。
比值 影响作用
高 促进根分化、抑制芽形成
低 促进芽分化、抑制根形成
适中 促进愈伤组织形成
3.植物组织培养技术的分析
(1)条件控制：在诱导愈伤组织阶段，对有些植物来说，避光培养有利于细胞脱分化形成愈伤组织。当愈伤组织再分化出芽和叶时，一定要有光照，有利于叶片内叶绿素的合成。
(2)操作提醒：①接种时注意外植体的方向，应将外植体的形态学下端插入培养基，不能倒插。
②由愈伤组织进行细胞分化时，因为生根后不易再生芽，所以一般要先诱导其生芽，然后诱导其生根。可通过控制培养基中生长素和细胞分裂素的比例来实现。
(3)消毒和灭菌：植物组织培养过程中对培养材料进行表面消毒时，一方面要考虑药剂的消毒效果；另一方面要考虑植物材料的耐受能力。不同药剂、不同植物材料要分别对待。
(4)繁殖方式：植物组织培养属于无性繁殖。因为植物组织培养是在细胞有丝分裂和细胞分化的基础上实现的，此过程并没有生殖细胞的产生。
1．(2025·大同高二检测)转基因植物可通过组织培养技术进行繁殖，保证其性状的稳定遗传。下图为转基因抗虫棉的植物组织培养过程。下列叙述正确的是 (　　)
C
A．①选择成熟区的组织，更容易在体外培养成植株
B．②需要避光和一定的湿度进行叶绿素的诱导生成
C．②③需要转移到专门的分化培养基上进一步培养
D．④可以将锥形瓶中的幼苗直接移栽到大田中生长
解析：
成熟区的组织细胞分化程度高，不容易在体外培养成完整植株，A错误；叶绿素的形成需要适宜的温度、光照和一定的湿度等条件，B错误；诱导形成愈伤组织、生芽、生根的培养基都不相同，②③过程需要转接到专门的分化培养基上进一步培养，C正确；移栽前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日，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，D错误。
A
2．(2025·武汉高二检测)草莓的外观呈心形，鲜美红嫩，果肉多汁，酸甜可口。下图表示用两种不同技术将草莓①培育得到草莓②和③。若不考虑突变，下列叙述错误的是 (　　)
A．草莓①形成草莓②的过程体现植物细胞的全能性
B．图中的愈伤组织是无组织结构、松散的薄壁细胞团
C．愈伤组织的形成过程一般不需要光照
D．由花粉形成草莓③的过程发生了脱分化和再分化
解析：
草莓①形成草莓③的过程体现植物细胞的全能性，草莓①形成草莓②，起点不是一个细胞，A错误；愈伤组织的细胞排列疏松而无规则，是一种不定形的薄壁组织团块，B正确；愈伤组织的形成一般不需要光照，后续再分化过程需要给予适当光照，有利于促进叶绿素的产生，C正确；由花粉形成草莓③，即花药离体培养的过程，发生了脱分化和再分化，D正确。
3．科学家利用拟南芥的愈伤组织进行实验，探究植物组织培养过程中诱导愈伤组织生根的机理，结果如下图所示。诱导生根的培养基(RIM)的配方中含有生长素(IAA)，wei8是拟南芥生长素合成基因。下列说法正确的是 (　　)
C
A．诱导形成愈伤组织和诱导生根、生芽过程均需避光处理
B．增加培养基中IAA的浓度，1组的生根效果会更好
C．2、4组比较，遵循了实验设计中的单一变量原则
D．培养基中的IAA和自身产生的生长素会抑制愈伤组织生根
解析：
诱导形成愈伤组织需避光处理，诱导生根、生芽的再分化过程需要给予适宜的光照，A错误；生长素具有低浓度促进、高浓度抑制的作用特点，继续增加其浓度，到一定值后会产生抑制作用，B错误；2、4组实验进行比较，除培养基中是否含IAA外，其他变量一致，遵循单一变量原则，C正确；分析实验结果可知，培养基中的IAA和自身产生的生长素有利于愈伤组织生根，D错误。
任务二 植物体细胞杂交技术
下图为植物体细胞杂交过程示意图。
[问题探究]
1．将两个不同种的植物细胞A和B去除细胞壁后，经一定的方法促融，若只考虑两两融合，可以形成几种融合细胞？符合要求的杂种细胞是哪种？
答案：3种(AA、BB、AB)；AB。
2．在植物体细胞杂交过程中，酶解法去除细胞壁、原生质体融合和植物组织培养三个阶段的主要原理分别是什么？
答案：酶的专一性、细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。
3．植物体细胞融合形成杂种细胞是否标志着植物体细胞杂交技术的完成？
答案：不是，植物体细胞融合成功的标志是杂种原生质体再生出细胞壁形成杂种细胞；植物体细胞杂交技术完成的标志是培育出杂种植株，而不是形成杂种细胞。
4．二倍体番茄和二倍体马铃薯细胞杂交得到的“番茄—马铃薯”有多少个染色体组，是几倍体？
答案：四个染色体组；四倍体。
1．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 细胞膜的流动性和植物细胞的全能性
过程
项目 植物组织培养 植物体细胞杂交
选材 选取根尖、茎尖、具有形成层等容易诱导形成愈伤组织的部位 不同来源的植物体细胞
技术
操作 脱分化和再分化 除脱分化、再分化外，还要用酶解法去除细胞壁，用一定的方法诱导细胞融合
2.植物体细胞杂交后代的遗传变化
项目 体细胞杂交
亲本1(2n，Aabb)与亲本2(2m，ccDd)
生殖类型 无性生殖，育种过程中不遵循孟德尔遗传规律
变异类型 染色体数目变异
染色体数 两亲本染色体数之和，即2n＋2m
染色体组数 两亲本染色体组数之和，即2＋2
基因组成 两亲本基因型之和，即AabbccDd
提醒：培育新品种的过程中，遗传物质的传递不遵循孟德尔的遗传定律，遗传定律只适用于有性生殖进行减数分裂的过程，而体细胞杂交没有此过程。
B
1．(2025·天津高二检测)紫花苜蓿产量高，营养丰富，但耐酸性差，作为饲料易造成家畜臌胀病；百脉根耐酸性强，叶片因富含缩合单宁可防止反刍动物臌胀病的发生。研究人员通过植物体细胞杂交最终获得抗臌胀病的新型苜蓿。下列叙述错误的是 (　　)
A．植物体细胞杂交过程中需要先用酶解法去除细胞壁获得原生质体
B．诱导原生质体融合的方法有物理诱导、化学诱导和生物诱导三种
C．抗臌胀病的新型苜蓿与紫花苜蓿、百脉根均不属于同一物种
D.体细胞杂交育种的过程体现了细胞膜的流动性和细胞的全能性
解析：
植物体细胞杂交过程中需要先用酶解法去除细胞壁获得原生质体，A正确；诱导原生质体融合的方法有物理法和化学法两种，生物诱导只能用于动物细胞融合，B错误；抗臌胀病的新型苜蓿是紫花苜蓿和百脉根通过植物体细胞杂交获得的新品种，其与紫花苜蓿、百脉根均不属于同一物种，C正确；植物体细胞杂交技术中，不同来源的植物体细胞通过细胞融合技术形成杂种细胞体现了细胞膜的流动性，利用植物的组织培养技术将杂种细胞培育成杂种植株体现了植物细胞的全能性，D正确。
D
2．(2024·合肥高二检测)自然条件下兰花杂交后代不易萌发。科研人员用四倍体品种绿宝石和二倍体品种春剑进行杂交，获得大量优质杂交兰，并对其进行染色体观察与计数，培育过程如图。下列分析不正确的是 (　　)
A．调整培养基中植物激素的配比可影响原球茎的分裂与分化
B．春剑和绿宝石两个品种之间存在生殖隔离
C．所得杂交兰植株的体细胞染色体数目为60条
D．通过植物组织培养技术从不同杂种胚繁殖得到的大量杂交兰性状一致
解析：
植物激素的配比可影响植物的分裂与分化，A正确；春剑为二倍体生物，绿宝石为四倍体生物，形成的杂交兰为三倍体，不可育，说明春剑和绿宝石两个品种之间存在生殖隔离，B正确；春剑为二倍体生物，绿宝石为四倍体生物，杂交生成的杂种胚应该有20条染色体来自春剑，40条染色体来自绿宝石，故一共有60条染色体，C正确；不同胚中含有不同的遗传物质，子代会发生基因重组，故大量杂交兰性状不一定都相同，D错误。
B
3．(2025·清远高二检测)科学家为解决马铃薯因感染茄科霍尔氏菌导致产量下降问题，利用植物体细胞杂交技术成功获得了茄子融合亲本的青枯病抗性杂种植株。下列相关说法错误的是 (　　)
A．混合酶液处理过程需要用纤维素酶和果胶酶混合去除细胞壁
B．过程①可利用聚乙二醇、Ca2+载体等方法诱导原生质体融合
C．过程②成功的标志是融合的原生质体长出新的细胞壁
D．过程③需对获得的杂种植株进行筛选
解析：
植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，在进行植物体细胞杂交时，需要用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，以获得原生质体，所以混合酶液处理过程需要用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁，A正确；过程①是诱导原生质体融合，常用的方法有物理法(离心法和电融合法等)和化学法(聚乙二醇融合法、高Ca2+—高pH融合法等)，而Ca2+载体不能用于诱导原生质体融合，B错误；过程②融合成功的标志是原生质体长出新的细胞壁，这意味着杂种细胞已经形成了完整的细胞结构，C正确；过程③是从愈伤组织培育成杂种植株，由于融合过程可能存在多种情况，所以需对获得的杂种植株进行筛选，以得到具有青枯病抗性的杂种植株，D正确。
组织培养技术——科学探究与社会责任
青蒿素被誉为“世界上唯一有效的疟疾治疗药物”，几乎不溶于水，且对热不稳定，所以提取工艺一直难以突破。中国科学家屠呦呦因在抗疟疾药物青蒿素的提取方面做出了突出贡献而获2015年诺贝尔生理学或医学奖。如图为组织培养获得含青蒿素较高的黄花蒿的基本流程。
设计1：考查知识迁移能力
(1)建立无菌体系时，需要用到________________的酒精溶液，幼嫩的材料易在酒精溶液中失绿，所以浸泡时间要短，而且酒精处理后马上要用________冲洗。获得愈伤组织属于植物组织培养技术过程中的________________阶段。
设计2：考查原因分析与长句表达能力
(2)题中④培养基与③培养基是否一致，并请说明理由： 。
(3)组织培养过程中外植体通常选取黄花蒿的分生区组织的原因是_______________________，愈伤组织中提取不到青蒿素的原因是________________________________。步骤③黄花蒿叶片组织加入抗生素的作用是________________。
设计3：考查逻辑思维推理能力
(4)某小组对生根的黄花蒿继续组织培养得到了黄花蒿幼苗，但是幼苗叶片颜色为黄色，可能的原因是培养基中没有添加________元素，也可能是________________________。
答案：(1)(体积分数为)70%　无菌水　脱分化
(2)否，激素的种类和比例不同
(3)分裂能力强，分化程度低，容易诱导形成愈伤组织　相关基因没有在愈伤组织表达　防止杂菌污染
(4)镁(或Mg)　培养过程中没有给予光照
解析：
(1)进行无菌操作时，需要用体积分数为70%的酒精溶液消毒。因为幼嫩的材料易在酒精溶液中失绿，所以浸泡时间要短，因此酒精处理后要马上用无菌水冲洗。通过脱分化过程获得愈伤组织。(2)图中④培养基与③培养基分别是再分化培养基和脱分化培养基，两者激素的种类和比例不同，其中④生长素比例高于细胞分裂素，适合诱导生根。(3)分生区组织的细胞分裂能力强，分化程度低，容易诱导形成愈伤组织。由于控制青蒿素合成酶的相关基因不能在愈伤组织细胞中表达，
解析：
因此愈伤组织中提取不到青蒿素。为防止杂菌污染，步骤③黄花蒿叶片组织加入抗生素。(4)若得到的黄花蒿幼苗叶片颜色为黄色，可能的原因是培养基中没有添加镁元素，也可能是培养过程中没有给予光照，影响了叶绿素的合成。
D
1．利用植物的花瓣就能培育出完整的植株，针对这一实例的解释错误的是 (　　)
A．组成花瓣的细胞具有发育的全能性
B．花瓣细胞中有个体发育所需的全套遗传物质
C．利用花瓣培育出完整的植株涉及细胞分裂和细胞分化
D．在生物的生长发育过程中，细胞也能表现出全能性
解析：
花瓣属于植物的体细胞，因其细胞中具有个体发育所需的全套遗传物质，所以具有发育的全能性，A、B正确；由花瓣培育出完整植株的过程涉及细胞分裂和细胞分化，C正确；在生物的生长发育过程中，细胞不会表现出全能性，而是在特定的时间和空间条件下，进行基因的选择性表达，从而形成各种组织和器官，D错误。
D
2．(2025·西安高二期中)花药离体培养是重要的育种手段。某二倍体植物花药育种的过程如图所示。下列叙述正确的是 (　　)
A．为防止微生物污染，过程①要对花药进行灭菌
B．过程②为脱分化，需要给予适宜的光照
C．降低生长素的含量有利于过程③根的分化
D．过程④移植幼苗前要进行炼苗、壮苗
解析：
为防止微生物污染，过程①要对花药进行消毒，A错误；过程②为脱分化，一般不需要光照，再分化需要光照，B错误；生长素含量高于细胞分裂素含量，有利于根的分化，C错误；过程④移植幼苗前要进行炼苗、壮苗，有利于其适应环境，D正确。
C
3．(2024·济南高二检测)铁皮石斛是非常好的药材，但其自然繁殖力极弱，生长缓慢，由于人们的掠夺式采挖，资源已接近枯竭，植物组织培养技术为铁皮石斛的繁殖提供了新思路。下列说法正确的是 (　　)
A．植物组织培养得到试管苗的过程中只需要更换一次培养基
B．诱导愈伤组织形成时需要每日给予适当时间的光照
C．降低培养基中细胞分裂素与生长素的比值，有利于诱导生根
D．用同一植株体细胞离体培养获得的再生苗不会出现变异
解析：
在植物组织培养过程中需要在不同时期，根据培养对象的需求添加或减少一些物质，尤其是植物激素的比例，故植物组织培养得到试管苗的过程中不只更换一次培养基，A错误。诱导愈伤组织形成期间一般不需要光照，当愈伤组织再分化出芽和叶时，每日需要给予适当时间和强度的光照，B错误。愈伤组织的分化过程中，当培养基中细胞分裂素与生长素的比值较高时，诱导分化形成的器官是芽；比值较低时，诱导分化形成的器官是根，C正确。变异可以是自发的、不定向的，用同一植株体细胞离体培养获得的再生苗可能会出现变异，D错误。
C
4．(2024·南通高二检测)摇摆式间歇浸没生物反应器通过摆动架的倾斜摆动，使培养液周期性间歇浸没组培苗，实现组培苗的快速生长。相关叙述正确的是 (　　)
A．获得组培苗的培养基含有水、无机盐、蔗糖、琼脂和激素等多种营养物质
B．获得组培苗的步骤：外植体→脱分化形成胚状体→再分化形成试管苗
C．间歇摆动提高培养液溶氧量，有利于组培苗进行有氧呼吸，提高生长速度
D．经过间歇浸没培养获得的植株需要消毒后炼苗再移栽到经灭菌处理的土壤中
解析：
琼脂是凝固剂，不提供营养，A错误；外植体脱分化可以形成愈伤组织，愈伤组织再分化形成胚状体，B错误；间歇摆动提高培养液溶氧量，有利于组培苗进行有氧呼吸，有氧呼吸能为组培苗的生长发育提供能量，因此可以提高生长速度，C正确；植物组织培养是在无菌条件下进行的，经过间歇浸没培养获得的植株不需要消毒处理，D错误。
C
5．(2025·深圳高二期中)鱼腥草(2n＝24)和三白草(2n＝22)因疗效相近且具有叠加效应常被中医用作“药对”，研究者欲利用植物细胞工程，通过愈伤组织实现两种植物有效成分的工厂化生产。下列叙述正确的是 (　　)
A．过程①②分别用纤维素酶、灭活的病毒处理
B．过程③④分别是脱分化、再分化过程
C．愈伤组织细胞通常含有46条染色体
D．有效成分在植物生长过程中一直产生，但并非生长所必需
解析：
植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，因此过程①获得三白草和鱼腥草原生质体的过程中要利用纤维素酶和果胶酶水解细胞壁，过程②可以采用化学法(PEG融合法、高Ca2+—高pH融合法)或物理法诱导原生质体融合，不能用灭活病毒诱导，A错误；过程③是脱分化，过程④是愈伤组织产生有效成分的过程，没有再分化过程，B错误；三白草(2n＝22)和鱼腥草(2n＝24)的原生质体融合，愈伤组织细胞通常含有24＋22＝46条染色体，C正确；有效成分在植物生长后期产生，并非生长所必需，D错误。
6．园艺工作者在栽培开黄花的兰花品种时，偶然发现了一株开白花的兰花。他们以这株开白花的兰花为实验材料，利用离体的器官、组织或细胞培育出了完整的植株。据图回答下列问题：
(1)为了保证植物组织培养取得成功，培养材料可以选取该白花植株幼嫩的____________细胞。
(2)消毒后进行离体培养的植物器官、组织或细胞称为________。细胞经过程a～d发育成植株体现了____________________。
(3)启动细胞分裂和过程b的关键性的植物激素是____________________。经过程b产生的胚状体中出现形态结构不同的细胞，其根本原因是 。
(4)发生在生物体内的细胞的分化通常是不可逆的，图中生理过程________(填图中字母)是对细胞分化不可逆的否定。
答案：(1)茎段(或茎尖分生区)
(2)外植体　植物细胞的全能性
(3)生长素和细胞分裂素　基因的选择性表达
(4)a
解析：
(1)白花植株幼嫩的茎尖分生区细胞分化程度低，全能性高，可作为植物组织培养的材料。(2)消毒后进行离体培养的植物器官、组织或细胞称为外植体。细胞经过程a～d由离体的植物器官、组织或细胞经脱分化形成愈伤组织，经再分化形成胚状体，最后发育成完整的植株，体现了植物细胞的全能性。(3)在植物的组织培养过程中，起关键性作用的植物激素是生长素和细胞分裂素。在培养的不同时期对两者的比例有不同要求，再分化过程中，生长素比例高，促进根的分化，细胞分裂素比例高，促进芽的分化。图中过程b为再分化过程，再分化产生的胚状体中出现形态结构不同的细胞，其根本原因是基因的选择性表达。(4)图中的过程a是脱分化过程，是对细胞分化不可逆的否定。

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