2019-2020年高中生物苏教版选修3教学案：第二章 第一节 细胞工程概述(含答案).doc

2019-2020年高中生物苏教版选修3教学案：第二章 第一节 细胞工程概述(含答案)1.细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞或细胞器水平上的操作，按照人们的意愿去改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的综合性科学技术。2细胞工程根据研究对象的不同分为植物细胞工程和动物细胞工程等；根据所使用技术的不同，分为植物组织培养、细胞融合和细胞核移植等技术。3植物组织培养的主要过程是：选材消毒接种诱导分化诱导再分化炼苗移植。细胞工程的概念和植物组织培养技术1细胞工程的概念(1)细胞工程的含义：原理方法细胞生物学和分子生物学操作水平细胞或细胞器实施目的改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品(2)细胞工程的类型据操作对象：植物细胞工程和动物细胞工程等。据使用技术：植物组织培养技术、细胞融合技术和细胞核移植技术等。2植物组织培养技术(1)细胞的全能性：含义：生物体的细胞都具有发育成为一个新的生物个体的潜能。根本原因：几乎每一个细胞内都含有该物种的全套遗传物质，具有发育成为完整个体所必需的全部基因。(2)植物组织培养的概念：原理：植物细胞的全能性。条件：无菌、适宜的营养等。常用材料：植株的器官、组织、细胞或原生质体等。场所：培养基中。(3)植物组织培养的主要步骤：1为什么在生物的生长发育过程中，细胞并不会表现出全能性？提示：在特定的时间和空间条件下，细胞内的基因进行了选择性表达。2植物的种子发育成完整植株，是否体现了细胞的全能性？为什么？提示：没有。因为细胞的全能性是指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能，而种子中的胚已完成了早期发育，相当于新植物体的幼体，没有体现细胞发育成完整植物体的能力。3结合胡萝卜的组织培养实验，思考下列问题：(1)在植物组织培养过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？提示：避免杂菌污染培养基。培养基一旦被污染，迅速生长的各种杂菌不但会和培养物争夺营养，而且这些杂菌在生长的过程中会生成大量对培养物有害的物质，导致培养物迅速死亡。(2)为什么切取胡萝卜根的形成层？其他部分也能培养成小植株吗？提示：胡萝卜根的形成层容易诱导形成愈伤组织，其他部分如叶、花也能培养成小植株，只是稍微困难些。1细胞全能性大小的比较(1)植物细胞动物细胞(动物细胞只有细胞核具有全能性)。(2)受精卵生殖细胞(精子、卵细胞)体细胞。(3)体细胞：分化程度低的分化程度高的；细胞分裂能力强的细胞分裂能力弱的；幼嫩的细胞衰老的细胞。(4)随着细胞分化程度的不断提高，细胞的全能性逐渐降低。2植物细胞表现全能性的条件材料离体的细胞、组织或器官培养基种类齐全、比例合适的营养物质及一定的植物激素外界条件无菌操作；光照：愈伤组织的形成和生长需要避光培养，分化培养需见光特别提醒(1)全能性表达的标志：已分化的细胞能形成完整的个体。若只是形成某种组织或器官则不能体现全能性。(2)全能性的原理：细胞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，因此同样具有全能性。3植物组织培养中各过程的比较名称过程形成体特点培养基光脱分化由外植体脱分化为愈伤组织排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞团生长素与细胞分裂素的比例大避光再分化由愈伤组织分化为幼苗或胚状结构有根、芽或有生根发芽的能力上述比例小需光营养生长生殖生长发育成完整的植物体由根、茎、叶、花、果实、种子组成自身产生各种激素需光特别提醒植物组织培养并不是全程都需要光照光照条件包括光照强度、时间和波长等，对于植物组织培养来说非常重要。在愈伤组织的诱导阶段往往要暗培养(有利于细胞的脱分化产生愈伤组织，如果是在光照条件下，容易分化产生维管等组织，不利于产生大量的愈伤组织)，而在再分化的过程中一定要有光照。4生长素和细胞分裂素用量及比例对植物组织培养的影响生长素/细胞分裂素的比值作用效果比值高时促进根分化、抑制芽形成比值低时促进芽分化、抑制根形成比值适中促进愈伤组织形成特别提醒巧记“生长素和细胞分裂素用量及比例对植物组织培养的影响”“比值高，根分化；比值低，芽分化；比值适中，不分化”。即“高根低芽中愈伤”。细胞融合技术与细胞核移植技术1细胞融合技术(1)概念理解：含义：细胞融合技术是采用自发或人工的方法使两个或多个细胞融合为一个细胞的技术。常用促融合方法：生物法、化学法和物理法。植物细胞融合前需要用纤维素酶等去除细胞壁。不同种生物的体细胞融合称为体细胞杂交。(2)应用实例(以“白菜甘蓝”的培育为例)：过程：优点：可以逾越种间、属间的杂交屏障培育出新的生物体。2细胞核移植技术(1)概念：动物细胞核移植技术是把一个动物细胞的细胞核移入一个已经去除细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育为一个新的胚胎，最终发育为一个动物个体的技术。(2)应用：克隆动物。(3)发展：移植细胞中的各种细胞器。1植物细胞融合前为什么要先去除细胞壁？提示：细胞壁会阻碍原生质体的融合。2细胞融合技术的结构基础是什么？提示：细胞膜具有一定的流动性。3细胞核移植技术中，遗传物质是否发生了改变？提示：遗传物质发生了改变。因为重组细胞中的遗传物质来自两个细胞。4某科研所从国外进口一头优质肉牛，用什么技术能尽快地培育出一批几乎与这头肉牛一样的品种？提示：运用细胞核移植技术进行克隆。1细胞工程与基因工程的比较项目细胞工程基因工程不同点操作水平细胞水平基因或(DNA分子) 水平技术方法细胞融合、细胞培养、细胞核移植、染色体工程等体外对基因“剪切”和“拼接”等方法实施目的培育新品种或新物种，及获得细胞代谢产物改良生物品种，获得人类需要的基因产物相同点两者都可以定向改变生物体内的遗传物质，从而使人们获得基因产物或生物新品种，在育种上都能打破物种间的界限特别提醒(1)细胞工程和基因工程都可以突破物种间的遗传障碍，打破物种间杂交不亲和的障碍。(2)细胞工程所依据的原理是染色体变异，基因工程所依据的原理是基因重组。2关于细胞融合技术与细胞核移植技术的归纳(1)细胞融合技术：融合原理：细胞膜的流动性。融合对象：两个或多个不同细胞。促融合方法：生物法(如病毒诱导融合法)、化学法(如聚乙二醇诱导融合法)、物理法(如电场诱导融合法)。融合结果：形成杂种细胞。融合过程：两个或多个不同细胞的质膜发生粘连、破裂细胞质发生融合发生核融合形成杂种细胞。融合意义：突破有性杂交的局限，使远源杂交成为可能。不同融合方法的比较：类型区别生物法化学法物理法诱导剂(方法)灭活的疱疹病毒、仙台病毒、天花病毒、腮腺炎病毒等聚乙二醇、高浓度钙离子等电场常用方法灭活的仙台病毒诱导聚乙二醇诱导电场诱导优点易培养，对各种动物细胞都适宜，融合率较高使用方便，诱导细胞融合的频率高频率高，对细胞无毒害作用，操作简便，可重复性好缺点病毒不稳定，制备过程烦琐，可能干扰细胞的生命活动有一定的毒性，对某些细胞不适用(2)细胞核移植技术：处理方法：用微吸管把一个细胞中的细胞核吸出后直接转移到另一个去除细胞核的细胞中。体细胞：提供细胞核 。卵细胞：提供细胞质。操作仪器：显微操作仪。3植物体细胞杂交过程中的注意事项(1)植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖且浓度略大于植物细胞质浓度，不仅为原生质体提供营养，而且还能维持一定的渗透压，使原生质体保持正常的形态。(2)体细胞融合后培养基中共有5种细胞类型(A、B、AA、BB、AB)，其中融合细胞类型有3种(AA、BB、AB)，而真正符合要求的是AB，因此要对融合细胞进行筛选。(3)体细胞杂交过程中涉及的遗传知识：从生殖类型上看，植物体细胞杂交技术没有生殖细胞的形成和结合，应属于无性生殖，变异类型应是染色体数目的变异，形成的是异源多倍体，由于含有两个亲本的遗传物质，因此理论上应具有两个亲本的遗传性状。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是两亲本之和。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，则新植株应为异源四倍体，其体细胞中染色体为(2x2y)条，4个染色体组，基因型为AabbccDd。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，只有在有性生殖进行减数分裂过程中才符合遗传定律，而体细胞杂交没有此过程。以过程图为载体，考查植物的组织培养及植物细胞的全能性例1下图表示四倍体兰花叶片通过植物组织培养形成植株的过程，相关叙述中正确的是()A阶段体现了细胞的全能性B阶段需生长素而阶段需细胞分裂素C阶段有细胞增殖但无细胞分化D此兰花的花药离体培养所得植株为二倍体精讲精析图中阶段是脱分化，、阶段是再分化。和阶段会发生有丝分裂。已分化的细胞发育成完整个体才能体现细胞的全能性。阶段和阶段都需生长素和细胞分裂素，只是二者比例不同。此兰花的花药离体培养所得植株虽然含两个染色体组，但为单倍体。答案C具有全能性实现全能性(1)理论上每个活细胞都具有全能性。(2)只有发育为完整个体才能说实现了细胞全能性，即实现全能性的终点是个体，而不是组织、器官等。1下列有关细胞全能性的叙述，正确的是()A植物体只有体细胞才具有发育成完整个体所必需的全套基因B高度分化的植物细胞只有处于离体状态时才有可能表现出全能性C植物体内某些体细胞没有表现出全能性，其原因是所含基因不同D紫色糯性玉米种子培育成植株，这反映植物种子具有全能性解析：选B细胞具有全能性的原因是细胞具有发育成完整个体所必需的全套基因，而配子也具有这样的全套基因，同样具有全能性；植物体内细胞没有表现出全能性，这是细胞内基因在特定时间和空间条件下选择性表达的结果；种子发育成植株，是正常生命历程，不能反映种子具有全能性；细胞全能性的表达前提是离体培养的细胞、组织或器官。以流程图为载体，综合考查植物体细胞杂交的过程例2(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14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。思路点拨精讲精析(1)去除细胞壁获得原生质体需要用纤维素酶和果胶酶处理。(2)叶肉细胞含有叶绿体，因此通过PEG诱导融合的杂种细胞应含有叶绿体，以此作为初步筛选杂种细胞的标志。(3)原生质体失去了细胞壁的保护作用，因此原生质体培养液中需要加入适宜浓度的甘露醇，使原生质体处于等渗溶液中，以维持原生质体正常形态。原生质体经过细胞壁再生，进而分裂和脱分化形成愈伤组织。(4)要判断染色体变异的类型，应剪取再生植株、花椰菜和黑芥植株的根尖，通过解离、漂洗、染色、制片等过程制成装片，然后进行显微观察比较染色体的形态和数目。(5)根据两亲本的差异性条带，可知再生植株1、2和4既有花椰菜的条带，又有黑芥的条带，因此再生植株1、2和4一定为杂种植株。(6)要筛选出高抗性的杂种植株，应进行相应的病原体接种实验，即接种黑腐病菌。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2利用植物体细胞杂交技术将白菜和甘蓝(均为二倍体)培育成“白菜甘蓝”杂种植株(如下图所示)，下列说法正确的是()A图示“白菜甘蓝”植株不能结子B植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种细胞C上述过程中包含着有丝分裂、细胞分化和减数分裂等过程D“白菜甘蓝”杂种植株所具有的性状是基因选择性表达的结果解析：选D“白菜甘蓝”属于异源四倍体，有同源染色体，是可育的，能结子；植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种植株；图示过程包括去壁、原生质体融合、植物组织培养等，其结果是形成“白菜甘蓝”幼苗，并未发育到性成熟个体，因此整个过程中没有减数分裂过程；任何性状都是基因选择性表达的结果。课堂回扣练习1中科院动物研究所成员通过将大熊猫体细胞的细胞核移植到去核后的兔子卵细胞中，成功地培育出大熊猫的早期胚胎。这项研究成果属于()A杂交育种B细胞工程C基因工程 D染色体工程解析：选B该项研究成果利用了细胞核移植技术和动物细胞培养技术，都属于细胞工程。2下列有关细胞工程的说法，错误的是()A美国科学家哈里森开创了动物细胞培养的先河B根据研究的对象不同，细胞工程主要包括植物组织与细胞培养、细胞融合、细胞核移植、染色体工程C细胞工程在农业、林业生产以及在医疗领域都有广泛的应用D细胞工程与其他生物工程关系密切，相辅相成解析：选B根据研究对象的不同，细胞工程领域可分为植物细胞工程、动物细胞工程和微生物细胞工程。3下列不属于细胞工程应用的是()A繁殖优良家畜品种 B生产药物C培育组织器官 D生产转基因产品解析：选D生产转基因产品属于基因工程技术的应用。应用细胞工程技术可以繁殖优良家畜品种、生产药物、培育组织器官用于器官移植等。4一只羊的卵母细胞核被另一只羊的体细胞核置换后，这个卵母细胞经过多次分裂，再植入第三只羊的子宫内发育，结果产下了一只羊羔。这种克隆技术具有多种用途，但是不能()A有选择地繁殖某一性别的家畜B繁殖家畜中的优秀个体C用于保存物种D改变动物的基因型解析：选D动物细胞克隆技术是将一个体细胞核移入另一个去核的卵母细胞中，经过试管培养一段时间后，再移入另一个体的子宫内发育、分娩的技术，通过该技术能够保持亲本的优良性状，能够保持性别不变，亦能够用于保存物种，但不能改变动物的基因型，这是因为基因型的改变是通过动物的有性生殖(减数分裂)完成的。5下图所示为细胞融合技术的一些过程：(1)从A和B细胞到C细胞的过程中，常用的促融方法有_、_、_等。(2)若A、B细胞为植物细胞，那么这样的细胞已经用酶降解脱掉了_，利用的酶可能是_，由此生成的A和B细胞称为_。(3)若A为人细胞，B为鼠细胞，并分别用红、绿荧光染料标记细胞膜上的蛋白质。在C细胞时，细胞一半发红色荧光，一半发绿色荧光。到D细胞阶段，两种颜色的荧光均匀分布。请解释原因：_。解析：(1)细胞融合技术中常用的促融方法有生物法(如病毒诱导融合法)、化学法(如聚乙二醇诱导融合法)、物理法(如电场诱导融合法)等。(2)植物细胞融合前需要用纤维素酶等去除细胞壁，去掉细胞壁后的植物细胞称为原生质体。(3)组成细胞膜的磷脂分子和蛋白质分子大都可以运动，使细胞具有一定的流动性。答案：(1)生物法化学法物理法(2)细胞壁纤维素酶等原生质体(3)细胞膜具有一定的流动性课下综合检测一、选择题1美国科学家哈里森最初培育的动物细胞是()A蛙胚骨髓干细胞 B蛙胚神经细胞C蛙胚肝细胞 D蛙胚表皮细胞解析：选B美国科学家哈里森最初采用盖玻片悬滴培养蛙胚神经组织，观察到细胞的生长现象。2细胞工程是一门综合科学技术，下列哪项技术不属于细胞工程()A有性杂交 B细胞融合C组织培养 D细胞核移植解析：选A有性杂交属于有性生殖过程，不属于细胞工程技术。细胞融合、组织培养和细胞核移植都属于细胞工程技术。3在植物体细胞融合技术中，常用来去除细胞壁的酶是纤维素酶和果胶酶，这是因为()A这些酶容易制取B细胞壁的主要成分是纤维素和果胶C纤维素酶、果胶酶价格便宜D用这些酶便于操作解析：选B植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，利用酶的专一性，选取纤维素酶和果胶酶分解去除植物细胞的细胞壁，而对原生质体没有破坏作用，从而获得植物细胞的原生质体。4在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中，下列哪一项条件一般是不需要的()A消毒灭菌B适宜的温度C充足的光照 D适宜的养料和激素解析：选C由于此阶段形成的是愈伤组织，并没有形成具有根、茎、叶的植物体，因此一般不需要光照。5植物体细胞杂交尚未解决的问题是()A去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体B将杂种细胞培育成植株C让杂种植物按照人们的需要表现亲代的优良性状D尚未培育出属间杂种植物解析：选C目前植物体细胞杂交产生的杂种植株并没有完全表现出人们所需要的性状。6下列发生了细胞分化且能体现体细胞全能性的生物学过程是()A玉米种子萌发长成新植株B小鼠骨髓造血干细胞形成各种血细胞C小麦花粉经离体培养发育成单倍体植株D胡萝卜根韧皮部细胞经组织培养发育成新植株解析：选D已分化的细胞具有发育成完整个体的潜能叫做细胞的全能性。种子萌发长成植株是由幼体到成体的正常生长发育过程，虽有细胞分化，但不能体现细胞的全能性；骨髓造血干细胞形成各种血细胞，仅仅是细胞分化的过程，没有形成完整的个体，体现不出细胞的全能性；花粉离体培养发育成单倍体植株，经历了细胞分化，但体现的是花粉(生殖细胞)的全能性，没有体现体细胞的全能性；胡萝卜根韧皮部细胞经植物组织培养发育成新植株体现出体细胞的全能性。7植物组织培养过程中的脱分化是指()A植物体的分生组织通过细胞分裂产生新细胞的过程B未成熟的种子经过长期培养，长出幼苗的过程C植物的器官、组织或细胞，通过离体培养产生愈伤组织的过程D取植物的枝芽培育成一株新植物的过程解析：选C植物细胞脱分化就是让已分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能，而转变为未分化的细胞愈伤组织的过程。8下列各项关于植物细胞工程的叙述，正确的是()A植物细胞只要在离体状态下即可表现出全能性B制备原生质体时可利用酶或植物激素去除细胞壁C愈伤组织经过细胞的增殖会形成新的植物组织、器官D叶肉细胞经脱分化形成愈伤组织离不开植物激素的作用解析：选D植物细胞表现出全能性，除离体外还需要其他适宜条件。植物激素不能去除细胞壁。组织、器官的形成需通过细胞分化才能实现。二、非选择题9“白菜甘蓝”是用细胞工程的方法培育出来的蔬菜新品种，它具有生长周期短、耐热性强和易贮藏等优点。下面是“白菜甘蓝”的杂交过程示意图。请回答下列问题：(1)过程应使用_酶等去除细胞壁。(2)过程常用的化学试剂是_。(3)过程的细胞分裂方式为_。(4)通常情况下，白菜和甘蓝不能杂交成功，原因是_，上述方法克服了_的障碍。解析：(1)图中过程是去除植物细胞壁的过程，由于植物细胞壁的化学成分主要是纤维素和果胶，所以通常用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。(2)过程表示细胞融合，若用化学方法诱导，常用聚乙二醇作为诱导剂。(3)由杂种细胞发育为一株完整植物体，需经过细胞的有丝分裂和分化过程。(4)白菜和甘蓝属不同种生物，二者存在生殖隔离；采用细胞融合技术，克服了远源杂交不亲和的障碍。答案：(1)纤维素(2)聚乙二醇(3)有丝分裂(4)存在生殖隔离远源杂交不亲和10中科院上海生理与生态研究所为“神舟”四号上一批特殊的“新人”烟草细胞举办了特殊的“婚礼”。将两个“新人”放入融合室中，当充满液体的融合室中加入直流电场，两个原本相互游离的细胞一下子就贴到了一起，开始“窃窃私语”。紧接着，在瞬间高压脉冲的作用下，细胞膜被击出了小孔，透过这微小的空间，两股细胞质展开了“心灵的沟通”。渐渐地，细胞核也扭捏着“亲热”起来，20 min后，两细胞已是你中有我，我中有你，一个新的生命就这样诞生了。地面实验结果显示：用于融合的两个“新人”， 一号开的是粉花，二号开的是黄花。融合后的细胞再生植株开的是黄花，但性状却和一号相同(一个称一号性状，另一个称二号性状)。(1)由于细胞的密度不同，因此在地面上细胞配对融合非常困难。从理论上讲，在太空中细胞融合更容易，原因是_。(2)在“细胞婚礼”举行前，必须对“新人”进行特殊处理，方法是_。在显微镜下观察，“新人”的细胞膜融合在一起，细胞呈圆球状，这是因为_。(3)粉花和黄花、一号性状和二号性状属于_，一号性状属于_。(4)从染色体组成看，再生植株属于_体。解析：(1)在地面实验室中融合，因受重力作用，分子运动的方向、速度都受影响。(2)植物细胞融合前，需用纤维素酶、果胶酶去除细胞壁；由于没有细胞壁的束缚，且细胞膜具有一定流动性，故原生质体呈球形。(3)同种生物同一性状的不同表现类型称为相对性状；融合后的杂种植物细胞中具有两种性状的相关基因，而表现出来的却是一号性状，可判断一号性状为显性性状。(4)由于融合后的细胞中染色体数是两个亲本细胞染色体数的和，所以从染色体组成看，再生植株属于多倍体。答案：(1)在微重力的条件下，重力的沉降现象消失了(2)用纤维素酶、果胶酶等除去细胞壁没有细胞壁，细胞膜具有流动性(3)相对性状显性性状(4)多倍