第40讲细胞工程讲义可编辑.docx

第40讲细胞工程讲义可编辑.docx

《第40讲细胞工程讲义可编辑.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第40讲细胞工程讲义可编辑.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第40讲细胞工程讲义可编辑

第40讲　细胞工程

考纲要求

全国卷五年考情

1.植物的组织培养（Ⅱ）

2013·卷ⅡT40

2.动物细胞培养与体细胞克隆（Ⅱ）

2017·卷ⅢT38,2016·卷ⅡT40

3.细胞融合与单克隆抗体（Ⅱ）

2014·卷ⅠT40

考点一|植物细胞工程

[识记—基础梳理]

1．细胞工程的概念

2．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，都具有发育成完整生物体的潜能。

（2）原理：

细胞内含有本物种的全套遗传信息。

（3）全能性表达条件：

具有完整的细胞结构，处于离体状态，提供一定的营养、激素和其他适宜外界条件。

3．植物组织培养技术

（1）理论基础：

植物细胞的全能性。

（2）填写操作过程图：

―→

图中①表示脱分化，②表示再分化，A表示愈伤组织，B表示丛芽或胚状体。

（3）培养条件：

①无菌：

培养基灭菌、培养材料和培养器械消毒。

②固体培养基：

大多由无机营养成分、有机营养成分、激素、琼脂四部分组成。

③光照：

脱分化阶段不需要光照。

④激素调控：

培养基中生长素和细胞分裂素的比例调控组织培养进程。

4．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杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。

（2）操作流程

（3）流程分析

①过程a为去除细胞壁获得具有活力的原生质体，用到的酶是纤维素酶和果胶酶。

②过程b是原生质体的融合，其原理是细胞膜的流动性。

③诱导b融合的两种方法：

物理法包括离心、振动、电激等；

化学法一般用聚乙二醇作为诱导剂。

④过程c是原生质体融合后再生出细胞壁。

⑤过程d是组织培养技术，其原理是细胞的全能性。

（4）意义：

克服了远缘杂交不亲和的障碍、获得杂种植株。

5．植物细胞工程的实际应用

（1）

（2）作物新品种的培育：

①单倍体育种

②突变体的利用

③

[教材边角知识]　选修3　P36“小知识”,固体培养基中的无机营养成分和有机营养成分各有哪些物质？

试简要说明。

无机营养成分包括　　　　；有机营养成分包括　　　　　　　　　　　等物质。

【提示】　水分、无机盐　小分子糖类、氨基酸、核苷酸

[理解—深化探究]

1．植物体未离体的组织、细胞并未表现出全能性，可能的原因是什么？

【提示】　在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性表达出各种蛋白质，分化形成不同的细胞，从而构成生物体的不同组织。

2．植物组织培养与植物体细胞杂交在依据的原理、技术操作等方面有何不同？

【提示】　

（1）前者依据的原理为细胞的全能性；后者依据的原理，除细胞的全能性外，还有细胞膜的结构特性，即细胞膜具有一定的流动性。

（2）前者操作技术主要为脱分化、再分化等；后者的操作技术：

除脱分化、再分化外，还要用酶解法去除细胞壁，用一定的方法诱导原生质体融合。

3．生长素和细胞分裂素的协同作用在组织培养中非常重要，人们常把它们称为“激素杠杆”。

简述它们在组织培养中各发挥何种作用？

【提示】　当生长素含量高于细胞分裂素时，主要诱导植物组织脱分化和根原基的形成；而当细胞分裂素含量高于生长素时，则主要诱导植物组织再分化和芽原基的形成。

4．脱分化和再分化的比较

比较内容

脱分化

再分化

过程

外植体→愈伤组织

愈伤组织→幼苗

形成体特点

排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞

有根、芽

需要

条件

（1）离体

（2）适宜的营养

（3）生长素/细胞分裂素的比例适中

（4）不需光

（1）离体

（2）适宜的营养

（3）生长素/细胞分裂素的比例高或低诱导生根或生芽

（4）光照

[运用—考向对练]

考向1　植物组织培养过程分析

1．（2018·武汉市高三调研）应用植物组织培养技术，不仅可实现种苗的快速繁殖、培育无病毒植株，也可加快作物及苗木育种。

下面是培育柑桔耐盐植株的实验流程：

茎段―→愈伤组织

―→耐盐植株

回答下列问题：

（1）愈伤组织是由离体的茎段经________过程形成的，此时愈伤组织细胞________（填“具有”或“不具有”）细胞的全能性。

（2）对愈伤组织进行了两次处理，处理1中γ射线照射的目的是___________，用γ射线不直接处理茎段而是处理愈伤组织，原因是___________________；处理2中添加的物质X为________。

（3）植物组织培养技术也被广泛应用于其他作物的育种中。

在培育白菜甘蓝、三倍体无子西瓜、农杆菌转化法获得抗虫棉中，必需用到植物组织培养技术的是________。

[解析]　由图可知，培育柑桔耐盐植株是利用了γ射线照射，使得发生基因突变，再利用一定浓度盐的培养基去选择耐盐植株。

（1）离体的茎段经过脱分化过程形成愈伤组织，此时愈伤组织具有未分化的特点，细胞依然具有细胞的全能性。

（2）对愈伤组织进行了两次处理，处理1中γ射线照射的目的是诱导基因突变。

愈伤组织细胞处于不断地分裂状态，易受到培养条件和外界压力的影响而产生突变，因此通常用γ射线处理植物的愈伤组织能获得较好效果。

该技术最终培育柑桔耐盐植株，因此处理2中添加的物质X为氯化钠，起选择作用，具有能适应一定浓度盐的愈伤组织才可以生长，不适应的愈伤组织死亡。

（3）三倍体无子西瓜的培养过程是：

利用秋水仙素处理二倍体西瓜的幼苗，使之变成四倍体植株，再用二倍体西瓜给四倍体西瓜授粉，结出三倍体的种子。

第二年将此三倍体的西瓜种子种下去，授以二倍体的花粉，结出三倍体的无子西瓜。

整个过程中没有用到植物组织培养。

作物育种研究中常用农杆菌转化法将含抗虫基因的Ti质粒导入到植物体细胞中，再利用植物组织培养技术获得抗虫的农作物。

运用细胞工程培育白菜甘蓝杂种植株，需要采用植物组织培养技术将杂种细胞培养成杂种植株。

[答案]　

（1）脱分化　具有　

（2）诱发基因突变　愈伤组织细胞分裂能力强，易诱发基因突变　NaCl（或盐）

（3）白菜甘蓝、抗虫棉

1．具有全能性：

理论上，活细胞都具有全能性。

2．体现全能性：

只有发育成完整个体，才能说明体现了细胞的全能性。

　植物组织培养技术被广泛应用于无病毒植株培育、育种及获得细胞产物的工厂化生产等。

结合下图中番茄植株的培育过程，回答相关问题：

（1）①过程中通常使用____________酶来获取植物细胞原生质体，此处使用的外界溶液浓度不宜过小，以防止细胞原生质体________。

（2）铺平板类似于微生物接种，平板培养基中添加蔗糖的目的除了调节渗透压外，还有________的作用。

（3）图中属于再分化的过程是________（填序号）。

（4）多倍体番茄植株所结果实中维生素含量更高，若想培育多倍体番茄，可选择在图中的过程③中添加________（填物质）进行处理，也可以选择在过程⑥中添加一定浓度的________（填物质）进行处理。

（5）植物组织培养技术不仅可以保持优良品种的________特性，还可以高效快速地实现种苗的大量繁殖。

（6）“人工种子”由胚状体、包埋胚状体的胶质以及人造种皮等3部分组成，包埋胚状体的胶质中富含有机营养，这是因为胚状体在萌发初期不能进行________，为了满足胚状体代谢的需求，“人造种皮”则必须具有良好的透水、________的性能。

[解析]　

（1）植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，通常使用纤维素酶和果胶酶来获取植物细胞原生质体，此处使用的外界溶液不宜过小，以防止细胞原生质体渗透吸水涨破。

（2）培养基中添加蔗糖的目的除了调节渗透压外，还有提供营养的作用。

（3）由愈伤组织形成试管苗的过程需经过再分化，即图示的⑨⑩。

（4）若想培育多倍体番茄，可在培养基中添加聚乙二醇，促使植物体细胞融合；也可以在植物体细胞脱分化后进行有丝分裂时，用秋水仙素处理，使得染色体加倍。

（5）植物组织培养技术属于无性繁殖，不仅可以保持优良品种的遗传特性，还可以高效快速地实现种苗的大量繁殖。

（6）胚状体在萌发初期不能进行光合作用，因此包埋胚状体的胶质中富含有机营养，以供胚状体在萌发初期细胞生命活动的需要。

胚状体细胞要进行细胞呼吸等代谢活动，因此“人造种皮”则必须具有良好的透水、透气的性能。

[答案]　

（1）纤维素酶和果胶（答纤维素酶也可以）　吸水涨破（或破裂）　

（2）提供营养　（3）⑨⑩（答⑨或⑩均可）　（4）聚乙二醇　秋水仙素　（5）遗传　（6）光合作用　透气

考向2　植物体细胞杂交过程分析

2．植物细胞杂交可以培养杂种植物，下列是某科研小组的操作。

请回答相关问题。

【导学号：

67110096】

（1）将甲、乙两个不同品种的植株进行杂交，首先要去掉植物细胞的细胞壁，采用的酶是________________，得到原生质体甲和原生质体乙，然后进行人工诱导形成细胞团，通常采用的促融剂是________。

（2）甲细胞的基因型为Gg，乙细胞的基因型为Hh（两对基因位于不同对的同源染色体上）两两融合后所形成细胞的基因型为________________________。

（3）经研究发现，在光照强度大于800Lux时，只有同时存在G和H基因的细胞才能分化形成丛芽，可据此筛选出杂种细胞。

丛芽进一步培养长大为植株，该植株自交后代中，继续在大于800Lux的光照下培养，能长成植株个体的基因型为____________________________。

（4）在进行分化培养时需要换瓶操作，换瓶的主要目的是___________________________。

（5）植物体细胞杂交的优点是_______________________________________。

[解析]　

（1）植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，因此用酶解法去除植物细胞的细胞壁所需的酶为纤维素酶和果胶酶。

人工诱导原生质体融合的过程，常用的化学试剂是聚乙二醇。

（2）甲、乙两细胞融合时，可以发生甲、乙细胞的自身融合，也可以发生甲和乙之间的融合，由此可知两两融合后所形成细胞的基因型为GGgg，HHhh，GgHh。

（3）由信息“只有同时存在G和H基因的细胞才能分化形成丛芽”，则其自交后代中能长成植株个体的基因型中必须同时含有G和H基因，由此可知符合题意的基因型为GGHH，GgHh，GGHh，GgHH。

（4）在进行分化培养时需要换瓶操作，换瓶的主要目的是更换营养物质，改变激素的浓度比例。

（5）与传统的有性杂交相比，植物体细胞杂交的最大优点是可以克服远缘杂交不亲和的障碍，能够打破物种生殖隔离的限制。

[答案]　

（1）纤维素酶和果胶酶　聚乙二醇　

（2）GGgg，HHhh，GgHh　（3）GGHH，GgHh，GGHh，GgHH　（4）改变培养基中的激素浓度配比　（5）可以打破不同物种之间的生殖隔离（或答“克服了远缘杂交不亲和的障碍”）

1．植物体细胞杂交：

若两个不同品种的植物细胞A、B进行融合，A含有2X条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb，B含有2Y条染色体，2个染色体组，其基因型为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，从中不难看出，体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管是染色体数、基因型还是染色体组都采用直接相加的方法。

2．植物有性杂交：

有性杂交的子代细胞中染色体数为X＋Y、基因型为AbcD或abcD或Abcd或abcd，即先减半再相加。

　（2018·潍坊市调研）科学家以番茄（2N）和马铃薯（4N）为材料利用下图技术得到“番茄—马铃薯”植株。

请回答下列问题：

（1）d的名称是____________，由d培育成植株的过程运用的技术手段是____________，其依据的原理是____________。

（2）影响④⑤过程的主要植物激素是______________________，最终获得的“番茄—马铃薯”属于____________倍体植株。

（3）若将抗除草剂基因导入番茄细胞的常用方法是____________，在该方法中需要将目的基因插入到Ti质粒的____________上。

有人担心该番茄植株中抗除草剂基因会通过花粉传播进入杂草中，成为超级杂草，这是担心转基因生物可能威胁____________安全。

（4）番茄—马铃薯在生态系统中属于____________，人类在设计生态系统时，需要考虑番茄—马铃薯是否会引起当地生态环境的失衡或破坏，需遵循____________原理。

[解析]　

（1）读图知：

去壁的马铃薯细胞和番茄细胞融合后形成的细胞d的名称是杂种细胞，由d培育成植株的过程运用的技术手段是植物组织培养，其依据的原理是植物细胞的全能性。

（2）分化为试管苗的芽和根的主要植物激素为生长素和细胞分裂素，番茄为二倍体，马铃薯为四倍体，通过体细胞杂交获得的“番茄—马铃薯”属于六倍体植株。

（3）将抗除草剂基因导入番茄细胞的常用方法是农杆菌转化法，在该方法中需要将目的基因插入到Ti质粒的TDNA上。

有人担心该番茄植株中抗除草剂基因会通过花粉传播进入杂草中，成为超级杂草，这是担心转基因生物可能威胁生物安全。

（4）番茄—马铃薯在生态系统中属于生产者，人类在设计生态系统时，需要考虑番茄—马铃薯是否会引起当地生态环境的失衡或破坏，需遵循协调与平衡原理。

[答案]　

（1）杂种细胞　植物组织培养　植物细胞全能性　

（2）生长素和细胞分裂素　六　（3）农杆菌转化法　TDNA　生物　（4）生产者　协调与平衡

考点二|动物细胞工程

[识记—基础梳理]

1．动物细胞培养——动物细胞工程技术的基础

（1）原理：

细胞增殖。

（2）过程：

（3）培养条件：

①无菌、无毒的环境：

对培养液和所有培养用具进行无菌处理，添加抗生素，定期更换培养液以清除代谢产物。

②营养：

除正常的有机和无机营养外，加入血清、血浆等一些天然成分。

③适宜的温度和pH：

温度为36.5±0.5_℃（哺乳动物），pH为7.2～7.4。

④气体环境：

含95%空气加5%CO2的混合气体，其中后者的作用是维持培养液的pH。

2．动物体细胞核移植技术和克隆动物

（1）动物体细胞核移植技术的过程

重组细胞

胚胎

代孕母体―→生出与细胞核供体遗传性状基本相同的个体

（2）原理：

动物体细胞核具有全能性。

（3）应用

①加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育。

②保护濒危物种。

③生产医用蛋白。

④作为异种移植的供体。

3．动物细胞融合与单克隆抗体的制备

（1）动物细胞融合

①原理：

细胞膜的流动性。

②融合方法：

聚乙二醇（PEG）、灭活的病毒、电激等。

③意义：

突破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能，也为制造单克隆抗体开辟了新途径。

（2）单克隆抗体

①制备过程

②优点：

特异性强、灵敏度高，并可能大量制备。

③用途：

作为诊断试剂；用于治疗疾病和运载药物。

[理解—深化探究]

1．动物细胞培养中两次使用胰蛋白酶的作用有什么不同？

【提示】　第一次使用胰蛋白酶处理剪碎的组织使之分散成单个细胞，第二次使贴壁细胞从瓶壁上脱落下来，分散成单个细胞。

2．通过动物体细胞核移植技术获得的克隆动物，其遗传物质是否和供核细胞的遗传物质完全一样？

【提示】　不完全一样。

细胞核遗传物质一样，但细胞质遗传物质和提供去核卵母细胞的个体几乎完全一样。

3．动物体细胞核移植技术为何选用去核卵（母）细胞？

【提示】　卵母细胞比较大，易操作；卵（母）细胞细胞质多，营养丰富，含有促进细胞核全能性表达的物质。

[运用—考向对练]

考向1　动物细胞培养与核移植技术的应用

1．（2018·菏泽市高三一模）根据国际糖尿病联盟报告，在最近的10年中，全世界糖尿病的发生率呈逐年增长的趋势。

糖尿病是由多种因素引起的代谢紊乱疾病，已成为继肿瘤、心脑血管疾病之后威胁人类健康和生命安全的第三位重大疾病。

如图是研究人员提出的治疗方法。

请回答下列问题：

（1）核移植的受体细胞一般选用________细胞。

进行相关显微操作时，一般用微型吸管一并吸出细胞核和________。

（2）细胞在体外培养时，除培养液提供必需的营养条件、适宜的温度和pH、气体环境外，还需要有无菌、无毒环境，为保证无菌、无毒环境，在培养液中通常要加入________。

此外，还应定期____________，以便清除代谢废物。

（3）现有一段人工合成的正常胰岛素基因的脱氧核苷酸序列，可利用PCR技术扩增正常胰岛素基因，该技术的原理是__________________。

将正常胰岛素基因导入胚胎干细胞通常采用________法。

（4）“定向诱导”的本质是_______________________________________。

[解析]　

（1）核移植的受体细胞一般选用MⅡ中期的卵母（减数第二次分裂中期的卵母）细胞。

进行相关显微操作时，一般用微型吸管一并吸出细胞核和第一极体。

（2）细胞在体外培养时，除培养液提供必需的营养条件、适宜的温度和pH、气体环境外，还需要有无菌、无毒环境，为保证无菌、无毒环境，在培养液中通常要加入（一定量的）抗生素。

此外，还应定期更换培养液，以便清除代谢废物。

（3）PCR技术原理是DNA双链复制。

将正常胰岛素基因导入胚胎干细胞通常采用显微注射法。

（4）“定向诱导”的本质是使重组细胞B发生细胞分化（使重组细胞B中的基因选择性表达）。

[答案]　

（1）MⅡ中期的卵母（减数第二次分裂中期的卵母）　第一极体　

（2）（一定量的）抗生素　更换培养液　（3）DNA双链复制　显微注射　（4）使重组细胞B发生细胞分化（使重组细胞B中的基因选择性表达）

下图为某种哺乳动物体细胞核移植过程图。

回答下列问题。

（1）①处需要用________等处理，然后分瓶继续培养；细胞培养需要O2和CO2，CO2的主要作用是________________________。

（2）卵母细胞在体外培养到____________________时进行去核。

与去核卵母细胞融合的供体细胞培养一般不会超过10代，原因是______________________。

激活受体细胞除了用电刺激的方法外，还可以用________。

（写一种实际方法）

（3）动物细胞核移植的难度高于胚胎细胞核移植的原因是________________。

[解析]　

（1）贴满瓶壁的细胞需要用胰蛋白酶等处理，然后分瓶培养，让细胞继续增殖。

细胞培养需要CO2的主要作用是维持培养液的pH。

（2）由于减数第二次分裂中期的卵母细胞核的位置靠近第一极体，用微型吸管可一并吸出细胞核与第一极体；细胞一般传至10代后就不易传下去，一般来说，细胞在传至10～50代左右，增殖会逐渐缓慢，以至于完全停止，这时部分细胞的细胞核型可能会发生变化，与去核卵母细胞融合的供体细胞培养一般不会超过10代，原因是保持细胞正常的二倍体核型。

用物理或化学方法可以激活受体细胞，使其完成细胞分裂和发育进程，具体的方法有电脉冲、钙离子载体、乙醇、蛋白酶合成抑制剂等。

（3）动物胚胎的细胞分化程度低，恢复其全能性相对容易，而动物体细胞分化程度高，恢复其全能性十分困难，因此，动物细胞核移植的难度高于胚胎细胞核移植。

[答案]　

（1）胰蛋白酶　维持培养液的pH　

（2）减数第二次分裂中期　保持细胞正常的二倍体核型　钙离子载体（或乙醇、蛋白酶合成抑制剂等）　（3）动物胚胎的细胞分化程度低，恢复其全能性相对容易，而动物体细胞分化程度高，恢复其全能性十分困难

考向2　单克隆抗体技术的应用

2．（2018·河北省衡水中学高三检测）下图是某实验室通过小鼠纤维母细胞等获得单克隆抗体的实验流程，据图回答相关问题：

（1）过程①类似于植物组织培养技术中的________过程。

与纤维母细胞相比，诱导干细胞的全能性较________。

过程②中细胞分化的实质是___________。

（2）a是________；Z细胞是________。

（3）骨髓瘤细胞和浆细胞融合所依据的原理是____________________。

与诱导植物原生质体融合不同的方法是用________诱导。

（4）通过单克隆抗体制备技术得到的抗a的单抗具有_____________________的特点。

[解析]　

（1）①过程是将甲小鼠的纤维母细胞诱导成诱导干细胞，相当于植物组织培养技术中的脱分化。

诱导干细胞相当于未分化的细胞，其全能性更高。

②过程是诱导干细胞分化成各种体细胞，细胞分化的实质是基因选择性表达。

（2）读图可知Z为能产生抗a抗体的杂交瘤细胞，Z分泌合成的是抗a的单抗，则a为抗原。

（3）动物细胞融合的原理是细胞膜的流动性。

骨髓瘤细胞和浆细胞融合与诱导植物原生质体融合不同的方法是用灭活的病毒进行诱导。

（4）通过单克隆抗体制备技术得到的抗a的单抗具有的特点是特异性强、灵敏度高、可能大量制备。

[答案]　

（1）脱分化　高　基因的选择性表达　

（2）抗原　能产生抗a抗体的杂交瘤细胞　（3）细胞膜的流动性　灭活的病毒　（4）特异性强、灵敏度高、可能大量制备

项目

第一次筛选

第二次筛选

筛选

原因

诱导融合后得到多种杂交细胞，另外还有未融合的细胞

由于小鼠在生活中还受到其他抗原的刺激，所以经选择性培养获得的杂交瘤细胞中有能产生其他抗体的细胞

筛选

方法

用特定的选择培养基筛选：

未融合的细胞和同种细胞融合后形成的细胞（“BB”细胞、“瘤瘤”细胞）都会死亡，只有融合的杂交瘤细胞（“B瘤”细胞）才能生长

用多孔培养皿培养，在每个孔只有一个杂交瘤细胞的情况下开始克隆化培养和抗体检测，经多次筛选得到能产生特异性抗体的细胞群

筛选

目的

得到杂交瘤细胞

得到能分泌所需抗体的杂交瘤细胞

下列是生物学技术制备抗体的两个途径模式简图。

（1）在获取抗体之前，需要向健康人体注射特定抗原（如乙肝疫苗），并且每隔一周重复注射一次。

免疫学细胞A在人体主要参与____________免疫。

（2）过程①得到的Y细胞称为____________。

得到的单克隆抗体最主要的优点是____________。

（3）④过程需要____________酶，⑤过程则需要特定的限制性核酸内切酶和DNA连接酶。

（4）抗体1与抗体2的氨基酸排列顺序相同，两者的空间结构是否相同？

____________为什么？

______________________________________。

（5）如果想用棉花产生该种抗体，则⑥过程的受体细胞通常选用____________，经过筛选后再侵染棉花体细胞，转化成功后通过____________技术获得能产抗体的转基因棉花植株。

[解析]　

（1）向健康人体注射特定抗原，提取出A浆细胞（效应B淋巴细胞），在人体参与体液免疫。

（2）过程①得到的Y细胞称为杂交瘤细胞，得到的单克隆抗体具有特异性强、灵敏度高、并可能大量制备的优点。

（3）④为逆转录过程，需要逆转录酶，⑤基因表达载体的构建过程需要特定的限制性核酸内切酶和DNA连接酶。

（4）抗体1与抗体2相同之处是氨基酸的排列顺序，由于抗体2形成过程没有经过内质网和高尔基体的加工，抗体1形成过程经过了内质网和高尔基体的加工，因此形成的空间结构不同。

（5）如果想用棉花产生该种抗体，常用农杆菌转化法将目的基因导入棉花细胞中，则⑥导入受体细胞过程的受体细胞通常选用