第三节 植物细胞工程.docx

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第三节植物细胞工程

植物细胞工程

主讲：

黄冈中学优秀生物教师　严贻兰

一、知识概述

1、细胞全能性；

2、植物组织培养和植物体细胞杂交；

3、植物细胞工程的实际应用。

二、重点知识归纳及讲解

（一）对细胞全能性的理解

1、概念：

已经分化的细胞仍然具有发育成完整个体的潜能。

2、细胞全能性大小：

受精卵>生殖细胞>体细胞；

　　　　　　　植物细胞>动物细胞；

　　　　　　　分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞。

3、细胞全能性表达的条件：

（二）植物组织培养

1、原理：

植物细胞的全能性，即具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能。

2、过程

3、生物的体细胞不能表达全能性的原因：

基因选择性表达。

（三）植物体细胞杂交技术

1、概念：

将不同种植物的体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。

2、过程

3、融合成功的标志：

杂种细胞再生出细胞壁。

4、意义：

在克服不同种生物远缘杂交的障碍上，取得了巨大的突破，从而扩大了可用于杂交的亲本组合。

5、未能解决的问题：

未能让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性状。

　　主要原因是：

生物体基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以马铃薯—番茄杂交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受到相互干扰，不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯。

6、植物组织培养与植物体细胞杂交的比较

植物组织培养

植物体细胞杂交

所属范畴

无性繁殖

染色体变异、基因重组

原理

细胞全能性

膜流动性、细胞全能性

步骤

①脱分化

②再分化

①去除细胞壁

②融合形成杂种细胞

③组织培养

意义

保持优良性状、繁殖速度快、大规模生产、提高经济效益

克服不同种生物远源杂交的障碍

联系

杂交技术应用了组织培养

（四）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

概念：

快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。

特点：

保持优良品种的遗传特性。

意义：

高效快速地实现种苗的大量繁殖。

试管苗大规模培养　　　　　　　　利用菊花花瓣微型繁殖培养的菊花

（2）作物脱毒

　　　　选材：

无病毒的茎尖。

　　　　结果：

高产优质的脱毒苗。

脱毒草莓（左）与没有脱毒的草莓（右）

　　（3）人工种子

　　①特点：

后代无性状分离；不受气候、季节和地域限制。

　　②结构：

人工薄膜＋胚状体或不定芽或顶芽或腋芽。

　　③获得方法：

植物组织培养。

2、作物新品种的培育

　　单倍体育种和突变体的利用。

　　优点：

稳定遗传，缩短育种年限。

3、细胞产物的工厂化生产：

细胞产物有蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。

典型例题

例1、下图为将胡萝卜的离体组织在一定条件下培育形成试管苗的过程示意图，有关叙述正确的是（　）

A．利用此过程获得的试管苗可能为杂合子

B．①②过程中都会发生细胞的增殖和分化

C．多倍体植株的培育需经过如上图所示过程

D．此过程依据的生物学原理是细胞膜具有流动性

解析：

　　植物的组织培养过程是无性繁殖的过程，如果离体的组织来自纯合子，将来得到的试管苗是纯合子，如果离体的组织来自杂合子，将来得到的试管苗是杂合子；①为脱分化，②为再分化，脱分化过程没有细胞的分化；用秋水仙素处理萌发的种子和幼苗培养就可获得多倍体植株，不需组织培养过程；植物组织培养技术的理论基础是细胞的全能性而不是细胞膜流动性。

答案：

A

例2、如下图为“白菜－甘蓝”杂种植株的培育过程。

下列说法正确的是（　）

A．图示“白菜－甘蓝”植株不能结籽

B．愈伤组织的代谢类型是自养需氧型

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”杂种植株具有的性状是基因选择性表达的结果

解析：

　　白菜和甘蓝都是二倍体，它们的体细胞杂交后培育的“白菜－甘蓝”杂种植株中2个染色体组来自白菜，2个染色体组来自甘蓝，因此“白菜－甘蓝”属于异源四倍体，是可育的，能结籽；愈伤组织不能进行光合作用产生有机物，因此愈伤组织的代谢类型是异养需氧型；上述过程包括去壁、原生质体融合、植物组织培养等过程，其结果是形成“白菜－甘蓝”幼苗，并未发育到性成熟个体，因此整个过程中有有丝分裂和细胞分化，没有减数分裂过程；对个体来说，任何性状都是基因选择性表达的结果。

答案：

D

例3、请回答下列有关问题：

（1）植物微型繁殖技术属于植物组织培养的范畴。

该技术可以保持品种的__________，繁殖种苗的速度__________。

离体的叶肉细胞在适宜的条件下培养，最终能够形成完整的植株，说明该叶肉细胞具有该植物的全部__________。

（2）把试管苗转接到新的培养基上时，需要在超净工作台上进行，其原因是避免__________的污染。

　　（3）微型繁殖过程中，适宜浓度的生长素单独使用可诱导试管苗__________，而与__________配比适宜时可促进芽的增殖。

若要抑制试管苗的生长，促使愈伤组织产生和生长，需要使用的生长调节剂是__________（脱落酸、2，4—D）。

　　（4）将某植物试管苗培养在含不同浓度蔗糖的培养基上一段时间后，单株鲜重和光合作用强度的变化如图。

据图分析，随着培养基中蔗糖浓度的增加，光合作用强度的变化趋势是__________，单株鲜重的变化趋势是__________。

　　（5）据图推测，若要在诱导试管苗生根的过程中提高其光合作用能力，应__________（降低，增加）培养基中蔗糖浓度，以便提高试管苗的自养能力。

解析：

　　本题考查植物微型繁殖技术（植物组织培养）的原理、特点以及培养过程中对试管苗的生长、发育、生理过程的控制。

（1）植物微型繁殖技术可以保持品种的遗传特性，具有繁殖速度快的特点。

依据的原理是植物细胞的全能性。

（2）植物组织培养过程中应避免微生物的污染，操作过程需在超净工作台上进行。

（3）生长素具有促进生根的作用，与细胞分裂素配比适宜时可促进芽的增殖。

2，4-D具有促进愈伤组织产生和生长的作用。

（4）根据图示，光合作用的强度随蔗糖浓度的增加而下降，单株鲜重随蔗糖浓度的增加，先增加，随后下降。

（5）在诱导试管苗生根的过程中提高其光合作用能力，应降低蔗糖浓度，以提高试管苗的自养能力。

答案：

（1）遗传特性　　快　　遗传信息

（2）微生物

　　（3）生根　　细胞分裂素　　2，4—D

　　（4）逐渐减小　　先增加后下降

　　（5）降低

-返回-

同步测试

一、选择题

1、现有甲、乙两种植物（均为二倍体纯种），其中甲种植物的光合作用能力高于乙种植物，但乙种植物很适宜在盐碱地种植，且相关性状均为核基因控制。

要利用甲、乙两种植物的优势，培育出高产、耐盐的植株，有多种生物技术手段可以利用。

下列所采用的技术手段中，不可行的是（　）

A．利用植物体细胞杂交技术，可获得满足要求的四倍体杂种目的植株

B．将乙种植物耐盐基因导入到甲种植物的受精卵中，可培育出目的植株

C．两种植物杂交后，得到的F1再利用单倍体育种技术，可较快获得纯种的目的植株

D．诱导两种植物的花粉融合，并培育成幼苗，幼苗用秋水仙素处理，可培育出目的植株

2、要想通过体细胞杂交技术获得杂种植物，下列各步骤中正确的是（　）

A．分离原生质体→诱导原生质体融合→再生细胞壁→组织培养→杂种植株

B．分离原生质体→原生质体自然融合→再生细胞壁→组织培养→杂种植株

C．病毒诱导原生质体融合→组织培养→杂种植株

D．分离原生质体→脱分化→再分化→杂种植株

3、将胡萝卜韧皮部细胞培养成幼苗时，下列条件中不需要的是（　）

A．具有完整细胞核的细胞　　　　B．一定的营养物质和植物激素

C．离体状态　　　　　　　　　　D．导入指示基因

4、下列四个选项中没有采用植物组织培养技术的是（　）

A．采用花药离体培养得到单倍体植株

B．用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗得到多倍体植株

C．人工种子的培育过程

D．运用细胞工程培育“番茄—马铃薯”杂种植株

5、下列关于植物组织培养的叙述中，错误的是（　）

A．培养基中添加蔗糖的目的是提供营养和调节渗透压

B．培养基中的生长素和细胞分裂素影响愈伤组织的生长和分化

C．离体器官或组织的细胞都必须通过脱分化才能形成愈伤组织

D．同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织基因相同

6、离体的植物组织或细胞在适当培养条件下发育成完整植株，离体动物细胞却没有发育成动物的成熟个体，原因是（　）

A．动物细胞内没有成套的遗传物质

B．动物细胞的全能性随分化程度提高而受到限制，分化潜能变弱

C．动物细胞的细胞核太小

D．动物细胞的全能性低于植物细胞

7、关于现代生物技术应用的叙述，错误的是（　）

A．蛋白质工程可以合成自然界不存在的蛋白质

B．体细胞杂交技术可用于克隆动物和制备单克隆抗体

C．植物组织培养技术可以用于植物茎尖脱毒

D．动物细胞培养技术可用于转基因动物的培养

8、科学家把天竺葵的原生质体和香茅草的原生质体进行诱导融合，培育出的驱蚊草含有一种能驱蚊且对人体无害的香茅醛。

下列关于驱蚊草培育的叙述中，错误的是（　）

A．驱蚊草的培育属于细胞工程育种，其优点是能克服远源杂交不亲和的障碍

B．驱蚊草培育过程要用到纤维素酶、果胶酶、PEG等试剂或离心、振荡、电刺激等方法

C．驱蚊草培育过程是植物体细胞杂交，不同于植物组织培养，无愈伤组织和试管苗形成

D．驱蚊草不能通过天竺葵和香茅草杂交而获得是因为不同物种间存在生殖隔离

9、明党参是我国珍稀药用植物，对其进行保护性开发利用的方法不正确的是（　）

A．设计细胞培养反应器，实现药用成分的工厂化生产

B．大量培养愈伤组织，直接提取药用成分

C．大规模栽培组织培养苗，获取药用成分

D．利用组织培养获得愈伤组织，直接制成人工种子

10、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．体细胞杂交

C．组织培养　　　　　　　　　　D．细胞核移植

显示提示

提示：

　　1、C　解析：

两种植物存在着生殖隔离，无法完成杂交，即使能够杂交，所得F1也不能产生正常可育的配子，因而不能用于单倍体育种。

　　2、A

　　3、D　解析：

植物细胞具有全能性，即每一个细胞中都含有本物种体细胞的全套遗传物质。

在进行组织培养时，需要离体的组织或细胞（具有完整细胞核），需要一定的营养物质和植物激素（细胞分裂素、生长素），不需要导入指示基因。

　　4、B　解析：

用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗得到多倍体植株属于多倍体育种，该过程处理的是植物的雏体或幼苗，处理对象为独立的个体，无需再进行组织培养。

　　5、D　解析：

此题考查学生对植物组织培养技术的掌握。

培养基中加入蔗糖的目的一方面可以提供营养，另一方面可以调节渗透压；在整个组织培养过程中影响再分化的关键是生长素和细胞分裂素的使用比例和使用顺序；组织培养过程中的第一个关键环节是脱分化，从而形成愈伤组织；组织培养的对象既可以是体细胞也可以是生殖细胞，因此获得的愈伤组织的基因组成不一定相同。

　　6、B

　　7、B　解析：

克隆动物应用的是细胞核移植技术，所以B选项叙述错误。

　　8、C　解析：

植物体细胞杂交获得杂种植株的优点是克服远缘杂交不亲和的障碍。

具体的方法是，先进行植物体细胞杂交，再对融合后的细胞进行组织培养。

　　9、D

　　10、A

二、简答题

11、玉米是雌雄同株异化的单子叶植物，是生产和科研的好材料。

现有两个玉米品种，其基因型分别为yyRr和Yyrr。

科学家将它们的花粉除去细胞壁后进行原生质体融合，再把这些融合细胞进行组织培养，培育出了玉米新品种。

（1）上述育种方法采用了___________技术，其生物学原理是______________。

这项研究的意义是_______________。

（2）在组织培养的培养基中除了必要的营养物质外，还必须添加________。

培养过程中，融合细胞首先通过细胞分裂形成________，这个过程叫做________。

　　（3）在植物组织培养一段时间后，发现不同细胞所含蛋白质种类和数量有明显差异，其原因是__________________。

　　（4）两个品种的花粉进行原生质体融合后，可产生________种基因型的融合细胞（仅考虑两两融合），这些融合细胞再经过组织培养可以得到________种不同于亲本表现型的玉米新品种。

显示答案

　　11、

（1）植物体细胞杂交　　生物膜的流动性和细胞的全能性　　克服远缘杂交不亲和的障碍

（2）植物激素（细胞分裂素和生长素）　　愈伤组织　　　脱分化（去分化）

　　（3）基因选择性表达的结果

　　（4）6　　　2

　　解析：

利用两个植物细胞融合培育新植株的技术为植物体细胞杂交，该技术可解决不同物种间因存在生殖隔离而不能自然杂交的问题。

在细胞分化过程中，由于细胞内基因的选择性表达，合成了不同种类的蛋白质。

植株yyRr可产生基因组成为yR和yr两种花粉，植株Yyrr可产生基因组成为Yr和yr两种花粉，考虑同种和不同花粉间的两两融合，可获得6种基因组成的融合细胞，即yyRR、yyrr、YYrr、yyRr、YyRr、Yyrr，这些细胞经过培养后得到的新品种中，共有四种表现型，其中有2种与亲本不同。

-END-

课外拓展

植物组织培养技术是如何发展起来的？

　　技术和理论是一对孪生兄弟，相辅相成，技术手段的发明会促进理论的创新，理论的创新又会指导技术的实践活动。

植物组织培养也是如此。

　　早在1902年，哈伯兰特（Haberlandt）提出高等植物的器官和组织可以不断地分割，直至单个细胞的观点，预言植物体细胞在适宜的条件下，有发育成完整植株的潜力，提出了植物细胞全能性的设想，并且用植物细胞组织进行了培养实验。

他虽然未能获得再生植株，却是植物组织培养的开创者。

1902年他发表了著名论文《植物细胞离体培养实验》，论文中提出的植物细胞全能性的理论是植物组织培养的理论基础。

　　从哈伯兰特提出植物细胞全能性的理论，到1958年斯图尔德（F.C．Steward）等人第一次用胡萝卜根的韧皮部细胞证实了植物细胞的全能性，用了整整56年。

56年中许多科学家做的事情归纳起来都是在探索哈伯兰特提出的“植物细胞在适宜条件下，有发育成完整植株的潜力”中的适宜条件。

　　20世纪60年代以后，植物组织培养进入了迅速发展阶段，并逐步走向生产应用，如快繁脱毒、单倍体育种、种质资源保存、生产次生代谢产物等，也为人工种子、细胞融合、转基因植物等奠定了基础。

-END-

高考解析

例1、下列技术中不能获得抗锈高产小麦新品种的是（　）

A．诱变育种　　　　　　　　B．细胞融合

C．花粉离体培养　　　　　　D．转基因

答案：

C

解析：

　　要获得抗锈病高产小麦新品种，可采用基因工程育种、诱变育种、细胞工程育种，花药离体培养为植物组织培养，不能产生抗病基因。

例2、草莓生产上传统的繁殖方式易将所感染的病毒传播给后代，导致产量降低。

品质变差。

运用微型繁殖技术可以培育出无病毒幼苗。

草莓微型繁殖的基本过程如下：

外植体

愈伤组织

芽、根

植株

请回答：

（1）微型繁殖培育无病毒草莓苗时，一般选取_________作为外植体，其依据是____________。

（2）在过程①中，常用的MS培养基主要成分包括大量元素、微量元素和______，在配制好的培养基中，常常需要添加________，有利于外植体启动细胞分裂形成愈伤组织。

接种后2~5d，若发现外植体边缘局部污染，原因可能是__________。

（3）在过程②中，愈伤组织在诱导生根的培养基中未形成根，但分化出了芽，其原因可能是_____________。

答案：

（1）茎尖、根尖；不含病毒

（2）有机物；植物激素；外植体消毒不彻底

　　　（3）培养基中生长素类物质和细胞分裂素类物质用量的比值偏低

解析：

　　培育无病毒植株苗，应选择不含病毒部分培养，而植物体新生部位不含病毒，植物组织培养的培养基成分应包含大量元素、微量元素、有机物，另外常常需要添加植物激素诱导植物细胞分裂、分化，外植体边缘局部污染，说明消毒不彻底，不同植物激素的比例影响植物细胞发育方向，生长素用量比细胞分裂素用量，比值高时，有利于根的分化，比值低时，有利于芽的分化。

-END-