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专题2 细 胞 工 程 2.1 植物细胞工程,【知识梳理】 一、细胞工程的概念理解,细胞生物学,分子生物学,细胞水平,遗传物质,远缘杂交不亲和,植物细胞工程,二、植物细胞的全能性 1.概念：具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有 _。 2.物质基础：细胞内含有本物种全部的_。 3.体内细胞全能性不表达的原因：基因在特定的时间和空间条件 下_，形成不同的组织、器官。,发育成完整生物体的潜能,遗传信息,选择性表达,三、植物组织培养技术 1.原理：_。 2.概念理解 3.操作流程： 外植体 _ 根、芽或胚状体试管苗。,培养对象：离体的_ 培养条件：_、人工配制的培养基、相关_等 培养结果：产生_、丛芽，最终形成_,细胞的全能性,植物器官、组织、细胞,无菌,激素,愈伤组织,完整植株,脱分化,愈伤组织,再分化,四、植物体细胞杂交技术 1.概念：将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成_细胞， 并把_细胞培育成新的_的技术。,杂种,杂种,植物体,2.操作流程：,(1)过程为去除_获得具有活力的原生质体，常用方法是 酶解法，所用到的酶是_。 (2)过程是原生质体的融合，人工诱导的物理法包括_ _等；化学法一般用_(PEG)作为诱导剂。 (3)过程是原生质体融合后再生出_，这是原生质体融合成功的标志。 (4)植物体细胞杂交的意义：克服了_。,细胞壁,纤维素酶和果胶酶,离心、,振动、电激,聚乙二醇,细胞壁,远缘杂交不亲和的障碍,五、植物细胞工程的实际应用 1.植物繁殖的新途径： (1)微型繁殖：用于_优良品种的植物组织培养技术。 (2)作物脱毒：选取作物_(如茎尖)进行组织培养，获得脱毒苗的技术。 (3)人工种子：以植物组织培养得到的_、不定芽、顶芽、腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。 2.作物新品种的培育：_和突变体的利用。 3.细胞产物的工厂化生产：如_的生产。,快速繁殖,无毒组织,胚状体,单倍体育种,人参皂甙干粉,【速记卡片】 1.植物组织培养： (1)条件：离体组织、器官或细胞(外植体)、适宜的营养、植物激素。 (2)原理：细胞全能性。 (3)过程：脱分化、再分化。 (4)结果：得到个体或细胞产物。,2.植物体细胞杂交： (1)原理：细胞膜的流动性、细胞全能性。 (2)过程：去细胞壁、融合、植物组织培养。 (3)融合方法：物理法(离心、振动、电激等)、化学法(聚乙二醇等)。 (4)结果：杂种植株。 (5)意义：克服了远缘杂交的不亲和的障碍。,考点一 植物组织培养与植物体细胞杂交 1.植物组织培养与植物体细胞杂交比较：,2.脱分化和再分化的比较：,3.杂种植株分析： (1)杂种植株的特征：具备两种植物的遗传特征。原因是杂种植株中含有两种植物的遗传物质。 (2)杂种植株的染色体组成和基因型： 分析方法：体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管染色体、基因组还是染色体组都采用直接相加的方法。 实例：若一植物细胞含有2X条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb，另一植物细胞含有2Y条染色体，2个染色体组，基因型为ccDd，则新植株应为四倍体，其体细胞中染色体数为2X+2Y，基因型为AabbccDd。,【高考警示】植物组织培养原理和过程的剖析 (1)全能性大小比较：不同细胞体现全能性能力的大小不同，具体表现为：受精卵生殖细胞体细胞，离体细胞的全能性表达与分化程度呈负相关，但生殖细胞特殊。 (2)植物组织培养过程对激素的要求：植物组织培养中不同培养阶段培养基含有的激素比例不同，因为培养的目的不同(生根或生芽)。,【考题回访】 1.(2015广州模拟)如图表示胡萝卜的韧皮部细胞通过无菌操作接入试管后，在一定的条件下，形成试管苗的培育过程。请据图回答下列问题：,(1)要促进细胞分裂生长，培养基中应有营养物质和激素。营养物质 包括 和小分子有机物，激素包括细胞分裂素和 两类植物激素。 (2)此过程依据的原理是 。A和B阶 段主要进行的分裂方式是 ，B阶段除了细胞分裂 外，还进行细胞 等。,(3)此过程要无菌操作，主要是指对 进行灭菌消毒。 B阶段需要光照，原因是 。 (4)试管苗的根细胞没有叶绿素，而叶肉细胞具有叶绿素，这是 基因 的结果。,【解题指南】解答本题时特别关注以下两点： (1)植物组织培养的培养基成分中营养成分和激素的种类。 (2)植物组织培养的过程中需要无菌操作，脱分化过程中不需要光照，但再分化过程中需要光照。,【解析】(1)要促进细胞分裂生长，培养基中应有营养物质和激素。营养物质包括无机物和小分子有机物，激素包括细胞分裂素和生长素两类植物激素。 (2)植物组织培养过程依据的原理是植物细胞的全能性。A是脱分化过程，B是再分化过程，两者均进行有丝分裂，B阶段除了细胞分裂外，还进行细胞分化等。 (3)植物组织培养过程需要无菌操作，主要是指对培养基进行灭菌消毒。再分化阶段需要光照，原因是在此过程中芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件。 (4)试管苗的根细胞没有叶绿素，而叶肉细胞具有叶绿素，这是基因选择性表达的结果。,答案：(1)无机物 生长素 (2)植物细胞的全能性 有丝分裂 分化 (3)培养基 芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件 (4)选择性表达,【延伸探究】本题图中A阶段和B阶段对细胞分裂素和生长素的要求分别是什么？ 提示：在A阶段，即脱分化阶段，生长素/细胞分裂素的值相对适中；在B阶段，即再分化阶段，生长素/细胞分裂素的值高或低，则分别诱导生根或生芽。,2.(2015太原模拟)甲、乙是染色体数目相同的两种二倍体药用植物，甲含有效成分A，乙含有效成分B。某研究小组拟培育同时含有A和B的新型药用植物。 回答下列问题： (1)为了培育该新型药用植物，可取甲和乙的叶片，先去除细胞壁， 获得具有活力的 ，再用化学诱导剂诱导二者融合。形 成的融合细胞进一步培养形成 组织，然后经过 形成完整的杂种植株。这种培育技术称为 。,(2)上述杂种植株属于多倍体，多倍体是指 。假设 甲和乙有性杂交的后代是不育的，而上述杂种植株是可育的，造成 这种差异的原因是 。 (3)这种杂种植株可通过制作人工种子的方法来大量繁殖，经植物组 织培养得到的 等材料用人工薄膜包装后 可得到人工种子。,【解析】本题主要考查植物体细胞杂交过程。 (1)去除细胞壁后，得到原生质体。诱导融合后，原生质体需要经过脱分化过程形成愈伤组织，然后经过再分化形成完整的杂种植株。 (2)多倍体是指体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体，多倍体后代不育一般是由于减数分裂过程中同源染色体联会紊乱，无法形成正常配子导致不育。 (3)经植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽或腋芽，包裹上人工种皮即可形成人工种子。,答案：(1)原生质体 愈伤 再分化(或分化) 植物体细胞杂交技术 (2)体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体(其他合理答案也可) 在减数分裂过程中，前者染色体联会异常，而后者染色体联会正常(其他合理答案也可) (3)胚状体、不定芽、顶芽、腋芽(答对其中一个即可),【易错提醒】动植物细胞融合的促融方法不同：动物可以用灭活的生物病毒促进细胞融合。,【加固训练】 1.通过细胞工程技术，利用甲、乙两种植物的各自优势(甲耐盐、乙高产)，培育高产耐盐的杂种植株。请完善下列实验流程并回答问题：,(1)B是 ，D是具有 优良性状的幼芽。 D长成的幼苗需要选择的原因是 。 (2)由C形成植株的过程利用了 技术，愈伤组织形成D需要经过 过程。整个培养过程要在 条件下进行。 (3)植物体细胞融合成功的标志是 。 目前植物体细胞杂交还存在许多问题没有解决，如 。,【解析】(1)两个原生质体经PEG诱导后融合，再生出细胞壁后变成杂种细胞，利用植物组织培养技术可得到愈伤组织、丛芽结构和试管苗，并非每个细胞都能表达出耐盐性状，需要利用含盐培养基进行选择。 (2)C细胞是杂种细胞，形成植株需要植物组织培养过程，经历了细胞的脱分化过程和再分化过程。过程中涉及培养基培养过程，所以无菌操作非常重要。 (3)植物细胞融合时，核质应该都进行融合，当细胞壁再生时，说明融合后的细胞核与细胞质进行正常的新陈代谢，即融合成功。植物体细胞杂交虽然克服了远缘杂交不亲和的障碍，但让杂合子表达出两种植物的优良性状有时还比较困难。,答案：(1)融合的原生质体 耐盐 有耐盐高产和耐盐不高产两种 (2)植物组织培养 再分化 无菌 (3)再生出新的细胞壁 不能按照人的意愿表达两个亲本的性状,2.(2015徐州模拟)下面为“番茄-马铃薯”的培育过程示意图，请据图回答问题：,(1)若运用传统有性杂交(即用番茄、马铃薯杂交)能否得到可育的 杂种植株？为什么？_ 。 (2)在利用杂种细胞培育杂种植株的过程中，运用的技术手段 是 ，依据的原理是 ，其中过 程称为 技术，过程相当于 。,(3)已知番茄、马铃薯分别为四倍体、二倍体，则“番茄-马铃薯” 属于 倍体植株。 (4)柴油树种子含有的柴油是植物细胞的代谢产物，可用植物组织 培养来实现柴油的工业化生产。若利用此技术，将柴油树细胞培养 进行到 (填字母编号)阶段即可。,【解题指南】解答本题的关键是明确以下两点： (1)植物体细胞杂交的过程分为植物体细胞融合和植物组织培养两个阶段。 (2)植物体细胞杂交过程中染色体数目变化和染色体数目变异的联系。,【解析】(1)番茄和马铃薯属于两种植物，存在生殖隔离，不能通过有性杂交产生后代。 (2)过程是把a、b两个原生质体融合在一起，所以称为原生质体融合。过程的结果是形成了愈伤组织，所以为脱分化。 (3)“番茄-马铃薯”属于异源多倍体中的异源六倍体。 (4)柴油是植物细胞的代谢产物，要实现其工业化生产需将柴油树细胞培养到愈伤组织，然后进行提取。,答案：(1)不能。不同种的植物存在生殖隔离 (2)植物组织培养 植物细胞的全能性 原生质体融合 脱分化 (3)六 (4)e,考点二 植物细胞工程的应用 1.植物繁殖的新途径： (1)微型繁殖。 概念：用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。 微型繁殖有两个优点。 a.保持优良品种的遗传特性。 b.高效快速地实现种苗的大量繁殖。,(2)作物脱毒。 解决的问题：无性繁殖的作物，感染的病毒在体内逐年积累，产量降低，品质变差。 解决方法：切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。 理论基础：植物分生区附近病毒极少，甚至无病毒。 成果：采用茎尖组织培养技术，已获得脱毒的马铃薯、草莓、甘蔗、菠萝和香蕉等。,(3)人工种子。 获取方法：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，用人工薄膜包装。,解决的问题。 a.一些植物繁殖周期长，数年后才能结出种子； b.有些作物优良杂种的后代因发生性状分离而丧失其优良特性； c.常规种子的生产受季节、气候和地域的限制，并且占用大量的土地。 2.细胞产物的工厂化生产： (1)细胞产物的种类：蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。 (2)成功的实例：人参、三七、紫草和银杏的细胞产物都已实现了工厂化生产。,【提分技法】依据不同的育种需求选择不同的育种方法 (1)杂交育种的选择依据：将两亲本的优良性状集中于同一个生物体上。 (2)单倍体育种的选择依据：需要快速育种，经过秋水仙素处理幼苗，即可得到纯合植株。 (3)诱变育种的选择依据：需要大幅度改良某一性状。 (4)多倍体育种的选择依据：需要提高品种产量，提高营养物质含量。 (5)植物微型繁殖技术的选择依据：需要短时间内大面积繁殖某一品种的植物。,【考题回访】 1.(2014广东高考)铁皮石斛是我国名贵中药，生物碱是其有效成分之一。应用组织培养技术培养铁皮石斛拟原球茎(简称PLBs，类似愈伤组织)生产生物碱的实验流程如下：,在固体培养基上，PLBs的重量、生物碱含量随增殖培养时间的变化如图所示，请回答下列问题：,(1)选用新生营养芽为外植体的原因是 ，诱导 外植体形成PLBs的过程称 。 (2)与黑暗条件下相比，PLBs在光照条件下生长的优势体现在 ， ， 。,(3)脱落酸(ABA)能提高生物碱含量，但会抑制PLBs的生长。若采用液体培养，推测添加适量的ABA可提高生物碱产量。同学们拟开展探究实验验证该推测，在设计实验方案时探讨了以下问题： ABA的浓度梯度设置和添加方式：设4个ABA处理组，1个空白对照组，3次重复。因ABA受热易分解，故一定浓度的无菌ABA母液应在各组液体培养基 后按比例加入。,实验进程和取样：实验50天完成，每10天取样，将样品(PLBs)称 重(g/瓶)后再测定生物碱含量。如初始(第0天)数据已知，实验过 程中还需测定的样品数为 。 依所测定数据确定适宜的ABA浓度和培养时间：当某3个样品(重复 样)的 时，其对应的ABA浓度为适宜浓度， 对应的培养时间是适宜培养时间。,【解题指南】(1)图示信息：实验流程中形成PLBs，联系由植物离体组织形成愈伤组织的过程；坐标曲线图中曲线的走势表示生物碱含量和PLBs重量变化情况，光照影响PLBs重量。 (2)隐含知识：脱落酸的作用、细胞的全能性、脱分化、影响PLBs的因素。,【解析】本题考查植物组织培养相关知识及读图析图能力、分析实验能力。 (1)新生营养芽细胞分化程度低，容易形成PLBs；根据题干可知，PLBs类似愈伤组织，外植体形成愈伤组织的过程是脱分化。 (2)据图分析可知，在光照条件下，PLBs约从15天时开始生长，早于黑暗条件下(约从第30天开始生长)；光照条件下PLBs生长时间约35天，长于黑暗条件下生长时间(约20天)；光照条件下最终PLBs重量高于黑暗条件下的PLBs重量。,(3)由于ABA受热易分解，所以各组液体培养基灭菌后冷却，再加入ABA。根据题干信息可知，实验中4组ABA处理组加1组对照组，3次重复，测定10、20、30、40、50天共5组数据，共计75组样品。在适宜的ABA浓度、适宜的培养时间时，样品中生物碱含量最大。 答案：(1)细胞分化程度低，分裂能力强，生长旺盛 脱分化 (2)生长起始较快 增重持续时间较长 PLBs产量较高 (3)灭菌冷却 75 生物碱含量最大,2.(2013天津高考)花椰菜易受黑腐病菌的危害而患黑腐病，野生黑芥具有黑腐病的抗性基因。用一定剂量的紫外线处理黑芥原生质体可使其染色体片段化，并丧失再生能力。再利用此原生质体作为部分遗传物质的供体与完整的花椰菜原生质体融合，以获得抗黑腐病杂种植株。流程如下图。,据图回答下列问题： (1)过程所需的酶是 。 (2)过程后，在显微镜下观察融合的活细胞中有供体的_ 存在，这一特征可作为初步筛选杂种细胞的标志。 (3)原生质体培养液中需要加入适宜浓度的甘露醇以保持一定的渗 透压，其作用是 。原生质体经过 再生，进而分裂和脱分化形成愈伤组织。 (4)若分析再生植株的染色体变异类型，应剪取再生植株和_ 植株的根尖，通过 、 、染色和制片等过程制成装片，然后在显微镜下观察比较染色体的形态和数目。,(5)采用特异性引物对花椰菜和黑芥基因组DNA进行PCR扩增，得到 两亲本的差异性条带，可用于杂种植株的鉴定。下图是用该引物对 双亲及再生植株14进行PCR扩增的结果。据图判断，再生植株1 4中一定是杂种植株的有 。 (6)对杂种植株进行 接种实验，可筛选出具有高抗性的杂种植株。,【解析】(1)过程表示原生质体的制备，要用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞的细胞壁。(2)用于融合的两个细胞，一个是黑芥苗的叶肉细胞，一个是花椰菜的根细胞，其中供体细胞特有的结构是叶绿体，可通过观察叶绿体的有无作为初步筛选杂种细胞的标志。(3)原生质体没有细胞壁的保护，需要加入适宜浓度的甘露醇以保证渗透压的稳定，以避免原生质体吸水或失水破坏原生质体的完整性；原生质体通过细胞壁再生形成杂种细胞，进而形成愈伤组织。,(4)分析再生植株染色体变异类型，需要制片观察再生植株细胞染色体和黑芥苗与花椰菜细胞中的染色体，制作装片的基本程序是解离、漂洗、染色、制片。(5)根据图谱，花椰菜含有碱基对为300和600的DNA片段，黑芥含有碱基对为1 000、1 300和1 500的片段，再生植株3只含有长度为300和600的片段，与花椰菜一致，1、2、4既含有花椰菜DNA片段，又含有黑芥DNA片段，为杂种植株。(6)对杂种植株接种黑腐病菌，能正常生长的即为具有高抗性的杂种植株。,答案：(1)纤维素酶和果胶酶 (2)叶绿体 (3)保持原生质体完整性 细胞壁 (4)双亲(或花椰菜和黑芥) 解离 漂洗 (5)1、2、4 (6)黑腐病菌,【延伸探究】(1)黑芥原生质体与原生质层是否相同？ 提示：否。原生质体是指去掉细胞壁后细胞剩余部分，原生质层是指细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质。 (2)植物体细胞杂交与植物组织培养有没有关系？ 提示：有。形成杂种细胞后，必须经过植物组织培养的脱分化、再分化得到杂种植株。,【加固训练】 1.红豆杉是濒危植物，其树皮产生的紫杉醇对癌症有一定的疗效。如图是红豆杉植物组织培养和细胞培养的流程图。,请据图回答下列问题： (1)图中为愈伤组织，通过B过程可最终产生新的植株，通过 C过程可产生大量细胞，则图中A、B、C分别表示的过程为 。其中B过程的实质是 。 (2)对的培养一般要采用 培养基，并要不断通入无菌 空气并进行搅拌，其目的是_。,(3)对的培养可获得代谢产物紫杉醇，但培养后期紫杉醇产 量下降，其原因包括_等。 (4)若是红豆杉(基因型为DdTt)的花药，可选用 (填编号)制成人工种子，该“种子”萌发的幼苗用 处理，可快速获得纯种植株，该植株的基因型为 。,【解析】(1)图中为红豆杉离体的植物器官、组织或细胞(外植体)，为愈伤组织，为试管苗(胚状体)，为植物体，为大量的红豆杉细胞；再分化的实质是细胞内基因的选择性表达。(2)的培养目的是快速增殖细胞，一般采用液体培养基进行培养，在培养过程中通入无菌空气是为了保证细胞生长过程中氧气的供应，不断搅拌的目的是让细胞和培养液充分接触。(3)培养后期，由于细胞代谢产物的积累，以及营养物质的消耗，导致细胞代谢减弱。(4)红豆杉的花药经培养可获得单倍体，再经秋水仙素处理，可使染色体加倍，快速获得纯种植株；如果亲本的基因型为DdTt，则获得的纯种植株的基因型有DDTT、DDtt、ddTT、ddtt四种。,答案：(1)脱分化、再分化、有丝分裂 基因的选择性表达 (2)液体 保证氧气的供应、使细胞和培养液充分接触 (3)某些代谢产物的积累，营养物质的消耗 (4) 秋水仙素 DDTT、DDtt、ddTT、ddtt,2.如图所示为科学家利用番茄叶细胞和马铃薯叶细胞杂交培育“番茄-马铃薯”植株的过程，请回答下列问题：,(1)过程使用了酶，以使植物原生质体相互分离，此处使用的 溶液浓度较大，从而保证植物细胞会发生 ，以保护原 生质体不被破坏；在动物细胞培养技术中，使细胞分离开来的酶 是 。 (2)过程在化学药剂 的作用下会发生细胞融合； 动物细胞融合的方法与植物细胞不相同的是 。 (3)过程 属于脱分化，过程 属于再分化，细胞发 生分化的根本原因是 。,(4)过程的细胞工程技术是 ， 其培养时选用的材料通常是分生组织，原因是 。 (5)植物体细胞杂交的研究在_ 方面，取得了巨大突破。,【解析】(1)图中过程使用含有纤维素酶和果胶酶的高浓度溶液处理植物细胞，使植物细胞发生质壁分离，从而保护原生质体不被破坏。在动物细胞培养技术中，使细胞分离开来的酶是胰蛋白酶或胶原蛋白酶。(2)过程是诱导原生质体融合，常用的化学促融剂是聚乙二醇(PEG)，而用灭活的病毒促进细胞融合是动物细胞融合特有的方式。(3)过程为脱分化，过程为再分化，愈伤组织在细胞增殖过程中，由于基因选择性表达形成具有根、茎、叶的植物体。(4)过程为植物组织培养。植物组织培养过程中，由于分生组织细胞分裂旺盛、全能性高，因此常作为组织培养的材料。(5)植物体细胞杂交可以克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍，实现不同物种间的基因交流。,答案：(1)质壁分离 胰蛋白酶(或胶原蛋白酶) (2)聚乙二醇(PEG) 可以使用灭活的病毒 (3) 基因的选择性表达 (4)植物组织培养 全能性高，易培养形成愈伤组织 (5)克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍,
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