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第56讲　植物细胞工程
[课标要求]
1.阐明植物组织培养是在一定条件下,将离体植物器官、组织和细胞在适宜的培养条件下诱导形成愈伤组织,并重新分化,最终形成完整植株的过程。
2.概述植物体细胞杂交是将不同植物体细胞在一定条件下融合成杂合细胞,继而培育成新植物体的技术。
3.举例说明植物细胞工程利用快速繁殖、脱毒、次生代谢产物生产、育种等方式有效提高了生产效率。
考点一
植物组织培养技术
1.细胞工程的概念
基础知识·整合
原理和方法 涉及细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科
操作水平 、细胞或 水平
目的 获得特定的 或其产品
分类 植物细胞工程和动物细胞工程
细胞器
组织
细胞、组织、器官、个体
分化成其他各种细胞
发育成完整个
激素
体所需的全套基因
2.植物细胞的全能性
3.植物组织培养技术
(1)概念:将离体的 等,培养在人工配制的培养基上,给予 的培养条件,诱导其形成完整植株的技术。
(2)原理: 。
(3)过程。
植物器官、组织或细胞
适宜
植物细胞的全能性
植物器官
组织或细胞
愈伤
组织
①脱分化: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 ,转变成 的细胞,进而形成愈伤组织的过程。
②愈伤组织:脱分化产生的 团块。
③再分化:愈伤组织重新分化成 等器官的过程。
结构和功能
未分化
不定形的薄壁组织
芽、根
(4)操作实例——菊花的组织培养。
流水
酒精
次氯酸钠
愈伤
组织
生芽
生根
深挖教材
1.判断正误
(1)(选择性必修3 P34正文)植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出细胞的全能性。(　　)
×
【提示】 植物细胞表现出全能性的首要条件是离体。
(2)(选择性必修3 P35~37探究·实践)脱分化和再分化两个过程中均会发生基因的选择性表达。(　　)
√
(3)(选择性必修3 P35~37探究·实践)培养基中的生长素和细胞分裂素的比例影响愈伤组织的分化。(　　)
(4)(选择性必修3 P35~37探究·实践拓展)同一株绿色开花植物不同部位的细胞经组织培养获得的植株基因型都是相同的。(　　)
×
【提示】 花粉是生殖细胞,与体细胞的基因型不同。
√
(5)(选择性必修3 P35~37探究·实践)外植体和培养基均需要先进行灭菌处理,之后才可进行接种培养。(　　)
×
【提示】 外植体需进行消毒处理,不能进行灭菌处理,否则会杀死外植体。
2.规范表达
(1)(选择性必修3 P35~37探究·实践拓展)植物组织培养中所需的碳源为什么一般为蔗糖,少数为葡萄糖和果糖
【提示】 蔗糖既可提供充足的碳源,又可维持相对适中的渗透压,而葡萄糖和果糖在与蔗糖提供相同数量碳源的前提下,其造成的渗透压可能过高。
(2)(选择性必修3 P35~37探究·实践拓展)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强度的光照的原因是什么
【提示】 光照能诱导叶绿素形成,使试管苗进行光合作用。
能力1　围绕植物组织培养的过程,考查理解能力
1.(2025·浙江1月选考,18)某研究小组进行微型月季的快速繁殖研究,结果如下表所示。
关键能力·提升
流程 最佳措施或最适培养基
①外植体腋芽消毒 75%乙醇浸泡30 s+5% NaClO浸泡6 min
②诱导出丛生苗 MS+3.0 mg· L-1 6-BA+0.05 mg· L-1 NAA
③丛生苗的扩增 MS+2.0 mg· L-1 6-BA+0.1 mg· L-1 NAA
④丛生苗的生根 1/2MS+0.25 mg· L-1 IBA+0.25 mg· L-1 NAA
注:丛生苗为丛状生长的幼苗,IBA(吲哚丁酸)为生长素类物质。
下列叙述正确的是(　　)
A.流程①的效果取决于消毒剂浓度
B.流程②不需要经过脱分化形成愈伤组织的阶段
C.与流程②相比,流程③培养基中细胞分裂素类与生长素类物质的比值更大
D.与流程③相比,提高流程④培养基的盐浓度有利于丛生苗的生根
B
【解析】 消毒的效果取决于消毒剂的种类、浓度和处理时间等;腋芽中含有分生组织,可不经过脱分化形成愈伤组织;流程③比流程②中细胞分裂素类与生长素类物质的比值更小;与流程③相比,提高流程④培养基的NAA浓度、降低其他营养物质浓度有利于丛生苗生根。
2.金菊花是多年生草本植物,是经长期人工选择培育出的名贵观赏花卉。如图表示某兴趣小组利用金菊花未开花的幼嫩枝条进行组织培养的过程。下列叙述正确的是(　　)
A.过程①是获取离体的未开花的幼嫩枝条,用适宜浓度的酒精和次氯酸钠的混合液消毒
B.过程③表示再分化,需要先诱导生根,再诱导生芽
C.过程④是培育形成的试管苗直接移栽入土进一步培养成金菊花植物体
D.整个组织培养过程中可能发生细胞分化、基因突变或染色体变异
D
【解析】 对外植体消毒应先用体积分数为70%的酒精消毒,无菌水冲洗2~3次后,再用质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液处理,再用无菌水清洗 2~3次;过程③表示再分化,一般先诱导生芽,再诱导生根;培育形成的试管苗要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;整个组织培养过程中会发生细胞分化,细胞进行有丝分裂,可能发生基因突变或染色体变异。
考点二
植物体细胞杂交技术
1.概念:植物体细胞杂交是指将 来源的植物体细胞,在一定条件下融合成 ,并把杂种细胞培育成 的技术。
2.过程
基础知识·整合
不同
杂种细胞
新植物体
(1)过程①为去除 获得原生质体,用到的酶是 和 。
(2)过程②为 的融合,人工诱导的物理法包括 、
等,化学法包括 、高Ca2+—高pH融合法等。
(3)过程③为融合的原生质体再生出 ,这是原生质体融合成功的标志。
(4)过程④为 ,过程⑤为 。
细胞壁
纤维素酶
果胶酶
原生质体
电融合法
离心法
聚乙二醇(PEG)融合法
细胞壁
脱分化
再分化
3.原理:体细胞杂交利用了细胞膜的 ,杂种细胞培育成杂种植株利用了植物细胞的 。
4.意义:在打破 ,实现 育种,培育植物新品种等方面展示出独特的优势。
5.局限性:目前有许多理论和技术问题尚未解决,还不能让杂种植物按照人们的需要表现出双亲的性状。
流动性
全能性
生殖隔离
远缘杂交
深挖教材
1.判断正误
(1)(选择性必修3 P36正文)生物体内基因的表达不是孤立的,番茄—马铃薯的遗传物质可能相互干扰。(　　)
(2)(选择性必修3 P37正文)可采取电融合法、离心法、PEG融合法等方法直接将两个植物细胞进行诱导融合。(　　)
√
×
【提示】 诱导植物细胞融合前应先用酶解法去除细胞壁。
(3)(选择性必修3 P38图2-4)细胞融合时不只形成杂种细胞,还形成同种细胞融合的细胞。(　　)
(4)(选择性必修3 P38正文)植物体细胞杂交技术是为了获得杂种细胞。
(　　)
√
×
【提示】 植物体细胞杂交技术是为了获得杂种植株。
(5)(选择性必修3 P38正文)植物体细胞杂交能打破生殖隔离,实现远缘杂交育种。(　　)
√
2.规范表达
(选择性必修3 P38概念检测拓展)如图是利用甲、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。
(1)图中a、b、c、d分别表示什么
【提示】 a表示用纤维素酶和果胶酶处理;b表示诱导融合后得到的杂种细胞;c表示培养后得到的具有耐盐性状的幼苗;d表示选择时要将植株种在高盐环境中。
(2)图中缺少细胞壁的甲、乙原生质体是否还具有全能性 为什么
【提示】 具有,甲、乙原生质体中仍含有对应植物的全套遗传信息,仍具有全能性。
重难知识·透析
1.植物组织培养和植物体细胞杂交的比较
2.植物体细胞杂交和有性杂交的比较
能力2　围绕植物体细胞杂交的原理、过程,考查获取信息能力
3.(2025·广西卷,3)甘薯是重要的农作物,为了改良甘薯品质,科学家利用甘薯(2N=90)与其近缘野生种(2N=30)进行体细胞杂交,选育得到杂种植株M1。下列说法正确的是(　　)
A.需用几丁质酶和果胶酶来降解甘薯细胞壁
B.为防止原生质体失水,需使用低渗缓冲液
C.M1具有两个物种的所有性状,且染色体数目为2N=120
D.在培育M1时,配制的各种培养基常以MS培养基为基础
D
关键能力·提升
【解析】 植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶,因此需用纤维素酶和果胶酶降解细胞壁,而非几丁质酶;原生质体在低渗缓冲液中会因渗透吸水而涨破,需使用等渗缓冲液维持原生质体渗透压平衡;体细胞杂交后,杂种细胞的染色体数为两亲本之和(4N=120),且由于基因选择性表达或存在不亲和性,杂种植株的性状可能不完全包含两个物种的所有性状;MS培养基是植物组织培养的常用基础培养基,体细胞杂交后的杂种细胞需在MS培养基中诱导脱分化和再分化。
4.(2023·广东卷,12)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
C
【解析】 在细胞融合前,必须先用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,再诱导原生质体融合;人工诱导原生质体融合有物理法和化学法,用高Ca2+—高pH溶液可促进细胞融合;融合的细胞中有人参根—人参根细胞、人参根—胡萝卜根细胞、胡萝卜根—胡萝卜根细胞,只有人参根—胡萝卜根细胞才是杂交细胞;杂交细胞含两种细胞的遗传物质,可能具有生长快速的优势。
考点三
植物细胞工程的应用
1.植物繁殖的新途径
基础知识·整合
高效、快速地实现种苗的大量繁殖
保持优良品种的遗传特性
植物顶端分生区附近(如茎尖)
2.作物新品种的培育
染色体变
异
单倍体
纯合子
突变
3.细胞产物的工厂化生产
(1)次生代谢物:是一类 有机化合物(如酚类、萜类和含氮化合物等),在植物抗病、抗虫等方面发挥作用,也是很多药物、香料和色素等的重要来源。
(2)细胞产物的工厂化生产:人们利用 来获得目标产物。
(3)植物细胞培养:是指在 条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。
小分子
植物细胞培养
离体
深挖教材
1.判断正误
(1)(选择性必修3 P39正文)微型繁殖为无性繁殖,能改良植物原有的遗传特性。
(　　)
×
(2)(选择性必修3 P40正文)利用组织培养技术培育脱毒苗,获得抗病毒的新品种。(　　)
×
【提示】 微型繁殖为无性繁殖,可保持优良品种的遗传特性,不能改良原有遗传特性。
【提示】 脱毒植株含病毒少甚至无病毒,但不具有抗病毒特性。
(3)(选择性必修3 P40正文)单倍体育种通常先经花药离体培养后用秋水仙素处理。(　　)
(4)(选择性必修3 P41正文)紫杉醇的工厂化生产体现了植物细胞具有全能性。
(　　)
√
×
【提示】 细胞产物工厂化生产过程,依据的原理是细胞增殖,没有体现植物细胞具有全能性。
(5)(选择性必修3 P41相关信息拓展)紫杉醇不是红豆杉基本生命活动所必需的,属于次生代谢物。(　　)
√
2.规范表达
(1)(选择性必修3 P40正文拓展)马铃薯、草莓和香蕉脱毒苗产量和品质明显提高,为什么小麦和玉米脱毒苗却基本没有变化
【提示】 马铃薯、草莓、香蕉进行无性繁殖,感染的病毒很容易传递给子代,而小麦和玉米是通过种子繁殖,感染的病毒不容易传递给子代。
(2)(选择性必修3 P41正文)与从紫草植株中提取紫草宁相比,利用植物细胞培养生产紫草宁的优点有哪些
【提示】 不占用耕地,几乎不受季节、天气等的限制。
能力3　围绕植物细胞工程在实践中的应用,考查理解与应用能力
5.(2025·广州期末)图示普通韭菜(2n=16)的花药结构。为了快速获得普通韭菜的纯系,科研人员利用其花药进行单倍体育种。下列相关叙述错误的是
(　　)
A.花粉细胞和花药壁细胞均具有全能性
B.培养基中生长素与细胞分裂素的比例影响愈伤组织再分化
C.镜检根尖分生区细胞的染色体,可鉴定出单倍体幼苗
D.秋水仙素处理单倍体幼苗,所得植株的细胞中染色体数都是16
D
关键能力·提升
【解析】 花粉细胞含有一个完整的染色体组,花药壁细胞含有2个染色体组,都含有该生物生长、发育、繁殖的全部遗传信息,均具有全能性;愈伤组织再分化过程中,如果细胞分裂素和生长素同时使用,且生长素用量较高,有利于根的分化、抑制芽的形成,如果同时使用,且细胞分裂素用量较高,有利于芽的分化、抑制根的形成,所以培养基中生长素和细胞分裂素的比例将影响愈伤组织分化的方向;单倍体幼苗细胞含有的染色体数目是体细胞的一半,因此可镜检根尖分生区细胞的染色体,鉴定出单倍体幼苗;秋水仙素处理单倍体幼苗,可能有些细胞染色体数目没有加倍,只含有8条。
6.(2025·湖北卷,5)水母雪莲是我国的一种名贵药材,主要活性成分为次生代谢产物黄酮。水母雪莲生长缓慢,长期的掠夺性采挖导致该药材资源严重匮乏。研究人员开展了悬浮培养水母雪莲细胞合成黄酮的工程技术研究,结果如表所示。
转速/(r·min-1) 55 65 75 85
相对生长速率 0.21 0.25 0.26 0.25
细胞干重/(g·L-1) 7.5 9.7 11.4 9.5
黄酮产量/(g·L-1) 0.2 0.27 0.32 0.25
下列叙述错误的是(　　)
A.黄酮产量与细胞干重呈正相关
B.黄酮是水母雪莲细胞生存和生长所必需的
C.氧气供给对于水母雪莲细胞生长、分裂和代谢是必需的
D.转速为75 r/min时既利于细胞分裂,又利于黄酮的积累
B
【解析】 分析表格可知,黄酮产量随着细胞干重增加而增加,所以黄酮产量与细胞干重呈正相关;黄酮属于次生代谢产物,并非细胞生存和生长所必需;氧气参与有氧呼吸,该过程为细胞生长、分裂和代谢提供能量,所以氧气供给对于水母雪莲细胞生长、分裂和代谢是必需的;在四种转速条件下,75 r/min时水母雪莲的细胞相对生长速率、细胞干重和黄酮产量均最高,所以转速为75 r/min时既利于细胞分裂,又利于黄酮的积累。

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