学年生物人教版选修3学案211植物细胞工程的基本技术.docx
- 文档编号:9687638
- 上传时间:2023-02-05
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:1.19MB
学年生物人教版选修3学案211植物细胞工程的基本技术.docx
《学年生物人教版选修3学案211植物细胞工程的基本技术.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《学年生物人教版选修3学案211植物细胞工程的基本技术.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
学年生物人教版选修3学案211植物细胞工程的基本技术
专题2 细胞工程
2.1 植物细胞工程
2.1.1 植物细胞工程的基本技术
知识点一 细胞工程和细胞全能性
1.细胞工程
(1)概念:
是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法,通过细胞水平或细胞器水平上的操作,按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。
概念要点:
①应用原理:
细胞生物学和分子生物学;
②操作水平:
细胞水平或细胞器水平;
③操作目的:
按照人的意愿改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品。
(2)分类
2.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个体的潜能。
(2)理论依据:
生物体的每一个细胞都包含该物种所有的遗传物质,都有发育成完整个体所必需的全部基因,从理论上讲,生物体的任何一个细胞都具有发育成完整生物体的潜能。
(3)全能性表达需要的条件:
①离体,生物体内的活细胞尽管均具有全能性,但由于在特定时间和空间条件下,细胞中的基因会有选择性地表达出各种蛋白质,分化形成不同的细胞,从而构成生物体的不同组织和器官,所以不能表现出全能性;②适宜的营养、环境条件和植物激素等。
1.细胞全能性的分析
从细胞的来源——有丝分裂上进行理论分析:
形成的子细胞核应与受精卵的完全相同,含有该物种所特有的全套遗传物质,都有发育成完整个体必需的全部基因,应该具有全能性。
体内分化的细胞之所以没有表达出全能性,是由于基因的选择性表达。
但离体培养时,脱离母体的限制,在一定条件下就能表达。
2.细胞全能性高低的比较
细胞全能性的高低与分化程度一般呈负相关,分化程度越大,全能性越低。
(1)植物细胞>动物细胞;
(2)受精卵>生殖细胞>体细胞;
(3)幼嫩的细胞>衰老的细胞;
(4)体细胞:
分化程度低的细胞>分化程度高的细胞。
【典题精练1】 下列围绕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】 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,A项错误;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,C项错误;种子发育成植株,是正常生命历程,未反映全能性,D项错误。
细胞全能性的表达前提是离体培养的细胞、组织或器官,B项正确。
【答案】 B
解题归纳正确理解细胞的全能性
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。
【典题精练2】 以下实例不能体现细胞全能性的是( )
A.用胡萝卜韧皮部细胞培育出植株
B.用紫色糯玉米种子培育出植株
C.用转入抗虫基因的棉花细胞培育出植株
D.番茄体细胞与马铃薯体细胞杂交后培育出植株
【解析】 细胞的全能性是指已经分化的细胞仍然具有发育成完整生物体的潜能。
能体现细胞全能性的最好实例是植物组织培养,即离体的植物器官、组织或细胞经过脱分化和再分化,最终能形成一个完整的植物体,故A、C、D三项所述都能体现细胞的全能性。
玉米种子中有胚,胚是玉米的幼体,因此将玉米种子培育成植株是幼体发育为成体的过程,没有体现细胞的全能性,故B项符合题意。
【答案】 B
知识点二植物组织培养技术
1.相关概念
(1)脱分化:
已经分化的细胞,经过诱导后,失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。
(2)愈伤组织:
已经分化的细胞离体后,经过激素诱导,脱分化为具有分生能力的薄壁细胞,这些排列疏松且无规则、高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞称为愈伤组织。
(3)再分化:
脱分化产生的愈伤组织继续培养,重新分化出幼根和芽等器官的过程。
2.植物组织培养的概念
在无菌和人工控制条件下,将离体的植物器官、组织、细胞,培养在人工配制的培养基上,给予适宜的培养条件,诱导其产生愈伤组织、丛芽,最终形成完整的植株。
3.植物组织培养的原理:
植物细胞的全能性。
4.植物组织培养的过程
5.胡萝卜组织培养的实验操作流程
6.植物组织培养过程中应注意的问题
(1)灭菌
①所有的实验用具需要严格灭菌。
②接种过程中,实验人员须进行严格的无菌操作。
(2)严格控制光照
在愈伤组织的诱导阶段往往要暗培养,而在分化再生的阶段一定要有光照。
因为暗培养有利于细胞的脱分化,产生愈伤组织,若有光照则容易分化产生维管组织,不利于产生大量的愈伤组织。
生长素与细胞分裂素在植物组织培养中的作用
植物激素中生长素和细胞分裂素是影响细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素。
【典题精练3】 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,则得到的试管苗是纯合子,如果离体的组织来自杂合子,则得到的试管苗是杂合子;①过程为脱分化;②过程为再分化,脱分化过程中没有细胞的分化;用秋水仙素处理萌发的种子和幼苗就可获得多倍体植株,不需要经过组织培养过程;植物组织培养技术依据的生物学原理是细胞的全能性,而不是细胞膜的流动性。
【答案】 A
【典题精练4】 韧皮部细胞是高度分化的植物细胞,用韧皮部细胞进行组织培养可以形成愈伤组织,下列叙述错误的是( )
A.该愈伤组织是细胞经过脱分化和细胞分裂形成的
B.该愈伤组织的细胞没有全能性
C.该愈伤组织由排列疏松的薄壁细胞组成
D.该愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构
【解析】 愈伤组织是由离体的植物器官、组织或细胞通过细胞分裂产生的,此过程称为植物细胞的脱分化。
愈伤组织中的细胞排列疏松而无规则,主要是一种高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞。
愈伤组织中虽然有些细胞发生分化,但仍具有全能性,在一定条件下继续培养,细胞会发生再分化,生成芽和根,进而发育成完整植株。
愈伤组织的形态发生方式主要有不定芽方式和胚状体方式两种。
其中,胚状体方式是指由愈伤组织细胞诱导分化出具有胚芽、胚根和胚轴的胚状结构,进而长成完整植株。
【答案】 B
知识点三 植物体细胞杂交技术
1.植物体细胞杂交的概念
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.原理
植物体细胞融合依据的生物学原理是细胞膜的流动性,植物组织培养的理论基础是细胞的全能性。
3.植物体细胞杂交的过程
酶解法制备原生质体→原生质体融合→杂种细胞再生出细胞壁→脱分化形成愈伤组织→再分化形成杂种植株。
(如下图所示)
4.植物体细胞杂交技术的应用
植物体细胞杂交克服了植物远缘杂交不亲和的障碍,可以定向地改良生物性状,在培育作物新品种方面具有广阔的应用前景。
如科学家已经培育出了白菜—甘蓝、烟草—海岛烟草、胡萝卜—羊角芹等种间或属间杂种。
但是目前仍有许多理论和技术问题没有解决,离推广应用仍有一定距离。
1.深入理解植物体细胞杂交技术
(1)植物体细胞杂交中融合成功的标志是杂种细胞再生出细胞壁。
(2)植物体细胞A和B融合成功后,将得到AB型、AA型和BB型三种细胞,但只有AB型是杂种细胞,因此,在细胞融合后还应有一个筛选杂种细胞的过程。
(3)从生殖类型上看,植物体细胞杂交技术没有有性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。
(4)植物体细胞杂交后,杂种细胞的染色体组数是两个物种的总和,形成异源多倍体。
因为细胞内每条染色体仍然有同源染色体,所以从理论上讲杂种植株是可育的,但育性会降低。
(5)植物体细胞杂交的终点是培育成杂种植株,而不是形成杂种细胞。
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.比较植物体细胞杂交、植物组织培养和多倍体育种
(1)植物组织培养和植物体细胞杂交
(2)植物体细胞杂交和多倍体育种
【典题精练5】 有关传统植物杂交与植物体细胞杂交的比较,正确的是( )
A.两者涉及的变异类型依次是基因重组、基因突变
B.两者的操作中都需要使用纤维素酶和果胶酶
C.两项技术培育出的新个体与亲代之间均不存在生殖隔离
D.与传统植物杂交相比,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
【解析】 传统植物杂交为有性杂交,涉及的变异类型是基因重组;植物体细胞杂交涉及的变异类型是染色体变异,A错误。
有性杂交时不需要使用纤维素酶和果胶酶。
B错误。
植物体细胞杂交获得的新个体与亲代间存在生殖隔离,C错误。
有性杂交一般发生在同种之间,而植物体细胞杂交打破了生殖隔离,能克服远缘杂交不亲和的障碍,D正确。
【答案】 D
解题归纳学生容易错选的根本原因是不能正确理解两种杂交方法的不同。
有性杂交是指同一种生物不同个体之间的交配,而植物体细胞杂交一般发生在不同种生物之间,通过原生质体融合、植物组织培养完成。
【典题精练6】 植株甲是二倍体水稻,利用植株甲获得了植株乙,而后利用植株甲和乙又获得植株丙和丁,培养过程如下图所示。
下列有关叙述正确的是( )
A.用秋水仙素处理植株甲的雌蕊柱头可获得植株乙
B.植株丙与植株丁的体细胞中染色体组的数目相同
C.植株甲与植株乙正交和反交所得种子的胚的基因型可能不同
D.获得植株丙和植株丁的过程都属于有性生殖
【解析】 本题考查植物多倍体的培育、有性生殖、无性生殖的区别及植物有性杂交与细胞融合后染色体数的变化。
用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗,可以获得多倍体植株,而不能处理柱头;植株丙是通过有性杂交获得的,其染色体数为3N,植株丁通过细胞融合后培养获得,其染色体数为6N;植株甲和植株乙的染色体数不同,在正交和反交时,作为母本和父本的植物产生的卵细胞和精子染色体数不同,所以受精卵发育成的胚的基因型可能不同;植株丙通过有性杂交形成,属于有性生殖,植株丁通过细胞融合后培养形成,属于无性生殖。
故选C。
【答案】 C
一、选择题
1.与传统的有性杂交法相比,植物体细胞杂交的最大优点是( B )
A.可使两个亲本的优良性状组合到一起
B.可以克服远缘杂交不亲和的障碍
C.可以培育出高产性状优良的新品种
D.可以降低生产成本,提高经济效益
解析:
由于不同生物之间存在着生殖隔离,因此有性杂交不能做到利用不同种的生物杂交来培育新品种,而植物体细胞杂交则可以打破这种限制,实现远缘杂交。
故选B。
2.下列关于细胞全能性的叙述中,错误的是( C )
A.理论上,生物体的每个细胞都含有该生物的全套基因,具有全能性
B.植物细胞虽然具有全能性,但并不是所有的细胞都能表达出来
C.植物体只有生长点细胞具有全能性,而其他部位细胞没有全能性
D.植物细胞具有全能性,而其他生物细胞一般不表现出全能性
解析:
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,也就是说,每个细胞都具有全能性,但并不是所有的细胞都表现出来,一般来说植物细胞的全能性较高,动物细胞的全能性较低。
故选C。
3.细胞具有全能性的根本原因是( C )
A.生物体细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能
B.生物体的每一个细胞都具有全能性
C.生物体的每一个细胞都含有个体发育的全部基因
D.生物体的每一个细胞都是由受精卵发育来的
解析:
生物体的细胞具有全能性的根本原因是细胞内含有形成完整个体所需的全部基因。
故选C。
4.下图为植物组织培养过程示意图,则下列叙述不正确的是( C )
A.植物组织培养依据的生物学原理是细胞的全能性
B.③―→④过程是指植物的营养生长和生殖生长阶段
C.将①经脱分化培养成②时,必须要有光照,以利于细胞的脱分化
D.②―→③的再分化过程中,诱导②生根的激素为细胞分裂素和生长素
解析:
从题中不难看出,①为外植体,②为愈伤组织,③为胚状体,④为完整植株,此过程为植物组织培养,利用的生物学原理是细胞的全能性。
脱分化过程中需要避光处理,C不正确。
故选C。
5.下列关于植物组织培养的表述,错误的是( A )
A.外植体可以来自于植物的任何细胞
B.培养应在无菌条件下进行
C.以花粉作为外植体可得到单倍体植株
D.不同阶段的培养基中细胞分裂素和生长素的比例不同
解析:
本题考查植物组织培养的概念。
外植体是来自植物体的完整的活细胞,如木本植物的木质部就不能作为外植体。
6.下列有关植物组织培养的叙述,正确的是( D )
A.愈伤组织是一团有特定结构和功能的薄壁细胞
B.二倍体植株的花粉经脱分化与再分化后得到稳定遗传的植株
C.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
D.植物耐盐突变体可通过添加适量NaCl的培养基培养筛选而获得
解析:
本题考查植物组织培养的过程与特点。
愈伤组织是由未分化的薄壁细胞组成,没有特定的结构和功能;由二倍体的花粉培养得到的单倍体植株不能产生后代;同一植物不同体细胞中细胞核中的基因是相同的,但其配子中的基因组成与体细胞不同,因而由配子和体细胞分别培养获得的愈伤组织基因型不同;在培养基中加入适量的NaCl,可以选择出植物的耐盐突变体。
7.将无根的非洲菊幼苗转入无植物激素的培养基中,在适宜的温度和光照等条件下培养一段时间后,应出现的现象是( B )
解析:
本题考查激素对植物生根、发芽、形成愈伤组织的作用。
细胞分裂素促进细胞分裂,诱导芽的分化;生长素可以促进不定根、侧根的形成。
此题中虽然培养基中没有植物激素,但是植物幼苗叶片本身可以产生生长素,而细胞分裂素的产生部位在根尖,所以实验材料不能产生细胞分裂素,因此植物能够在一段时间后长出少量的根而没有出芽。
8.下图为“番茄—马铃薯”的培育过程示意图,有关叙述正确的是( C )
A.获得a、b细胞需要胰蛋白酶和果胶酶
B.诱导a、b细胞融合的化学试剂一般用秋水仙素
C.a、b细胞融合为c细胞的原理是生物膜具有流动性
D.d、e、f过程表示植物的组织培养过程,e、f分别为脱分化和再分化
解析:
植物体细胞在杂交之前,必须先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,获得具有活力的原生质体;a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞膜的流动性,诱导a、b细胞融合的化学试剂一般用聚乙二醇,d、e分别为脱分化和再分化。
二、非选择题
9.下图所示为胡萝卜的韧皮部细胞通过无菌操作,接入试管后,在一定条件下,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)此过程依据的原理是细胞的全能性。
A和B阶段主要进行的分裂方式是有丝分裂,B阶段除了细胞分裂外,还进行细胞分化等。
(3)此过程要无菌操作,主要是指对培养基进行灭菌消毒。
B阶段需要光照,原因是芽发育成叶,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,而叶的叶肉细胞具有叶绿素,这是基因选择性表达的结果。
(5)A、B两过程能否在同一培养基上进行?
不能。
解析:
植物组织培养是用离体的植物组织、器官或细胞接种到经消毒灭菌的培养基中,培养基含有供组织细胞生长发育所需要的无机物和小分子有机物,还有供调节细胞脱分化和再分化的细胞分裂素和生长素。
由外植体发育到试管苗,脱分化阶段细胞进行有丝分裂;再分化阶段愈伤组织经细胞有丝分裂和分化形成试管苗,此阶段需要光照,原因是叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件。
由于细胞分裂素和生长素对脱分化、再分化的作用不同,因此需配制生长素、细胞分裂素不同浓度比值的培养基,通过转接以便顺利完成脱分化和再分化。
10.科学家将分离得到的成熟的胡萝卜韧皮部细胞进行如图所示实验,最终由单个细胞发育成了完整的植株。
请回答下列问题。
(1)科学家所用的这种生物技术叫植物组织培养。
该项技术表明,当植物细胞处于离体状态时,在一定的营养物质、(植物)激素和其他外界条件的作用下,可表现出全能性,发育成完整植株。
(2)图中B过程称为脱分化,通过B过程产生的愈伤组织细胞与根韧皮部细胞的形态结构不同(填“相同”或“不同”),其根本原因是基因的选择性表达。
(3)某课外小组同学用胡萝卜的愈伤组织同时进行了两组实验:
甲组培养基中含3%的蔗糖,乙组培养基中不含蔗糖,经灭菌后接种,每组实验再分成两个小组,分别在光下和暗处培养。
1个月后,观察愈伤组织细胞生长、分化情况,结果如表所示。
培养条件
甲组
乙组
光下
正常生长,分化
不生长,死亡
暗处
正常生长,不分化
不生长,死亡
由此得出的结论:
①愈伤组织的生长、分化过程需要蔗糖;
②光照能够促进愈伤组织的分化。
解析:
(1)将胡萝卜韧皮部细胞培育成完整植株需要采用植物组织培养技术。
该技术表明,当植物细胞处于离体状态时,在一定的营养物质、植物激素和其他外界条件的作用下,可表现出全能性,发育成完整植株。
(2)图中B过程表示脱分化。
脱分化产生的愈伤组织细胞是无定形状态的薄壁细胞,其形态结构与根韧皮部细胞不同,两者不同的根本原因是基因的选择性表达。
(3)在有光条件下,培养基中含有蔗糖时,细胞能生长和分化,而培养基中没有蔗糖时,细胞不生长,死亡,说明愈伤组织细胞生长、分化需要蔗糖;当培养基中含有蔗糖时,在光下培养,细胞能分化,而在暗处培养,细胞不能分化,说明光能够促进愈伤组织细胞分化。
[实验] P35
1.在组织培养实验中,为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作?
[提示] 植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成分,有利于培养物的生长,然而各种杂菌同样也可以在上面迅速生长,所以在植物组织培养过程中污染现象经常发生。
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。
造成培养基污染的因素有很多,一般包括:
外植体带菌、培养瓶和各种器械灭菌不彻底、操作人员操作不规范等。
所以在组织培养实验中用到的植物材料和各种器械都要进行彻底地灭菌,实验人员操作一定要规范,避免带入杂菌。
2.在本实验中,切取胡萝卜块时强调要切取含有形成层部分,原因是这部分容易诱导形成愈伤组织。
请思考一下,胡萝卜的其他部分(如茎、叶、花),是否也能培养成小植株,你能用实验的方法进行验证吗?
[提示] 胡萝卜的其他部分(如茎、叶、花)也能培养再生形成小植株,只是诱导愈伤组织比较困难。
可以参考利用胡萝卜根进行组织培养的实验,尝试设计出利用胡萝卜的茎、叶、花进行组织培养的实验流程。
3.请根据上面的实验过程,概括出植物组织培养技术的流程简图。
[提示]
[思考与探究] P38
1.为什么“番茄—马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想象的那样,地上长番茄、地下结马铃薯?
[提示] 1978年,梅尔彻斯(Melchers)等人首次获得了马铃薯与番茄的属间体细胞杂种。
他们将培育的二倍体马铃薯品系和番茄叶片细胞进行融合,所产生的杂交株被称为“马铃薯番茄”。
像大多数杂种一样,杂交株同时具有马铃薯和番茄的形态特征。
其中一些植株形成了“类似块茎的生殖根”,但是没有产生可结实的花、果实以及真正意义上的块茎。
到目前为止,“马铃薯—番茄”一类的体细胞杂交植物还不能产生经济效益,但是其研究价值不可忽视。
至于马铃薯—番茄没有像人们预想的那样地上长番茄、地下结马铃薯,主要原因是:
生物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、地下结马铃薯就是很自然的了。
2.自然界中有一种含有叶绿体的原生动物——眼虫,这说明植物的细胞器同样可以在某些动物细胞中存活。
请探讨:
动物细胞与植物细胞之间可以实现杂交吗?
如果理论上可行,请尝试设计出具体实验方案。
[提示] 根据眼虫的特点,动物细胞和植物细胞之间在理论上是可以实现杂交的。
具体的实验方案可以设计如下:
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 学年 生物 人教版 选修 211 植物 细胞 工程 基本 技术
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)