2．1植物細胞工程2．植物細胞工程的基本技術1．了解細胞工程的含義。2．理解植物細胞的全能性。(重點)3．掌握植物組織培養技術的過程及用途。(重點)4．理解植物體細胞雜交技術的過程。(重點)細胞工程和細胞的全能性(一)細胞工程的概念與分類1．概念(1)原理和方法：細胞生物學和分子生物學。(2)操作水平：細胞水平或細胞器水平。(3)目的：按照人們的意愿來改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品。2．種類根據操作對象不同，可分為植物細胞工程和動物細胞工程。(二)植物細胞的全能性1．概念：具有某種生物全部遺傳信息的任何一個細胞，都具有發育成完整生物體的潛能，也就是說，每個生物細胞都具有全能性的特點。2．現實表現：在生物的生長發育過程中，細胞并不會表現出全能性，而是分化成各種組織和器官。3．影響細胞全能性表現的原因：在特定的時間和空間條件下，細胞中的基因會有選擇性地表達出各種蛋白質，分化形成不同的細胞，從而構成生物體的不同組織和器官。4．表達時兩個重要的過程：(1)脫分化：讓已經分化的細胞，經過誘導后，失去其特有的結構和功能而轉變成未分化細胞的過程。(2)再分化：脫分化產生的愈傷組織在一定的培養條件下，再分化出幼根和芽，形成完整的小植株。eq\a\vs4\al([合作探討])探討eq\a\vs4\al(1)：請比較基因工程和細胞工程的概念，總結二者的不同。提示：(1)操作水平：基因工程是分子水平的操作，細胞工程是細胞水平或細胞器水平的操作。(2)目的：基因工程的目的是創造出符合人們需要的新的生物類型和生物產品，細胞工程的目的是按照人的意愿來改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品。探討eq\a\vs4\al(2)：理論上每種活細胞都具有全能性，請分析細胞具有全能性的原因。提示：活細胞都具有發育成該物種個體所需的全套遺傳物質。探討eq\a\vs4\al(3)：植物的種子發育成完整植株，是否體現了細胞的全能性？為什么？提示：沒有。因為細胞的全能性是指已分化的細胞仍具有發育成完整個體的潛能，而種子中的胚已完成了早期發育，相當于新植物體的幼體，沒有體現細胞發育成完整植物體的能力。eq\a\vs4\al([思維升華])1．細胞的全能性(1)具有全能性的原因：一般生物體的每一個細胞都包含有該物種所特有的全套遺傳物質，都有發育成為完整個體所必需的全部基因。(2)不同細胞全能性的大小。①體細胞全能性：分化程度低的>分化程度高的，細胞分裂能力強的>細胞分裂能力弱的。②不同細胞的全能性：受精卵>胚胎干細胞>生殖細胞>體細胞。③不同生物的細胞全能性：植物細胞>動物細胞。(3)全能性與細胞分化的關系：隨著細胞分化程度的不斷提高，細胞的全能性逐漸降低。2．植物細胞全能性表達所需條件(1)體細胞未表現全能性的原因：基因的選擇性表達。(2)體現細胞全能性的條件：材料離體的細胞、組織或器官培養基種類齊全、比例合適的營養物質及一定的植物激素外界條件①無菌操作②光照：愈傷組織培養最初避光培養，后期見光培養(1)細胞表達全能性的標志是發育成完整個體而不是形成某種組織或者器官。(2)細胞具有全能性是因為細胞中具有發育成完整個體所必需的“全套基因”而不是“全部基因”，配子中有全套基因，因此仍然具有全能性。1．以下不能說明細胞全能性的實驗是()【導學號：72240017】A．玉米花粉粒培育出植株B．轉入貯存蛋白基因的向日葵細胞培育出植株C．燒傷病人的健康細胞培養出皮膚D．胡蘿卜的形成層組織培育成胡蘿卜幼苗【解析】細胞的全能性是指具有某種生物全套遺傳信息的任何一個細胞，都具有發育成完整生物體的潛能。玉米花粉粒培育出植株、向日葵細胞培育出植株、胡蘿卜的形成層組織培育成胡蘿卜幼苗都是全能性的體現，只有C選項沒有得到完整個體，不能體現細胞的全能性。【答案】C2．下列有關植物細胞全能性的敘述中，正確的是()A．植物體只有高度分化的體細胞才具有發育成完整個體的潛能B．植物體內某些體細胞沒有表現出全能性，其原因是所含基因不同C．植物細胞的全能性是植物體細胞雜交技術的理論基礎D．植物細胞脫分化過程體現了植物細胞的全能性【解析】植物細胞的全能性是指高度分化的植物細胞仍然具有發育成完整植物體的潛能，實際上只要植物細胞含有本物種生長發育的全套基因就應具有全能性，如配子；植物體內所有體細胞均來源于同一受精卵的有絲分裂，遺傳物質應相同；植物體細胞雜交技術的理論基礎是植物細胞的全能性；植物細胞脫分化過程并沒有發育到完整的植株，不能體現植物細胞的全能性。【答案】C植物組織培養技術1．原理：植物細胞的全能性。2．過程：離體的植物器官、組織、細胞eq\o(→,\s\up17(一定的營養、激素))愈傷組織eq\o(→,\s\up17(含有不同激素成分的培養基),\s\do15(再分化))胚狀體或叢芽→試管苗。3．脫分化：已分化的細胞經過誘導后，失去其特有的結構和功能而轉變成未分化細胞的過程。4．植物組織培養的條件(1)離體的植物細胞、組織、器官。(2)無菌和人工控制。(3)培養在人工制備的培養基上。(4)給予適宜的培養條件。5．實驗：胡蘿卜的組織培養(1)原理：離體的植物器官、組織或細胞eq\o(→,\s\up17(脫分化))愈傷組織eq\o(→,\s\up17(再分化))幼根和芽→完整植物體(2)過程：取材：消毒后選取根的形成層部位，切取1cm3左右的小塊，因為該部位容易誘導形成愈傷組織接種：將組織塊接種到誘導培養基上，誘導出愈傷組織培養：在23～26℃恒溫避光條件下培養一段時間，再將愈傷組織轉接到分化培養基上培養誘導出試管苗移栽：將試管苗移栽到大田，培養成正常植株eq\a\vs4\al([合作探討])探討eq\a\vs4\al(1)：在植物組織培養過程中，為什么要進行一系列的消毒、滅菌，并且要求無菌操作？提示：避免雜菌在上面迅速生長消耗營養，且有些雜菌會危害培養物的生長。探討eq\a\vs4\al(2)：為什么切取胡蘿卜根的形成層？其他部分也能培養成小植株嗎？提示：胡蘿卜根的形成層容易誘導形成愈傷組織，其他部分如葉、花也能培養成小植株，只是稍微困難些。探討eq\a\vs4\al(3)：誘導愈傷組織的過程中是否都應避光培養？提示：不一定。用不同植物或同一植物不同部位的組織細胞，誘導出愈傷組織所需的條件不一定相同。探討eq\a\vs4\al(4)：若培養物取自植物的幼莖、葉片等含有葉綠體的部位，愈傷組織中是否會含有葉綠體？提示：培養物經過誘導后，失去其特有的結構和功能而轉變成未分化細胞，愈傷組織中不含有葉綠體。eq\a\vs4\al([思維升華])1．植物組織培養的過程eq\x(外植體離體的植物器官、組織、細胞)eq\o(→,\s\up17(一定的營養、激素),\s\do15(脫分化))eq\x(愈傷組織)eq\o(→,\s\up17(調整激素比例),\s\do15(再分化))eq\x(胚狀體或叢芽)→eq\x(試管苗)(1)外植體：用于植物組織培養的離體的植物器官、組織或細胞。(2)脫分化：已經分化的細胞，經過誘導，失去其特有的結構和功能而轉變成未分化細胞的過程。(3)愈傷組織：細胞排列疏松且無規則、高度液泡化、呈無定形狀態的薄壁細胞團。(4)再分化：脫分化產生的愈傷組織繼續進行培養，又可以重新分化出根或芽等器官的過程。2．植物組織培養中各過程的比較名稱過程形成體特點培養基光脫分化由外植體脫分化為愈傷組織排列疏松、高度液泡化的薄壁細胞團生長素與細胞分裂素的比例大避光再分化由愈傷組織分化為幼苗或胚狀結構有根、芽或有生根發芽的能力上述比例小需光營養生長生殖生長發育成完整的植物體由根、莖、葉、花、果實、種子組成自身產生各種激素需光1．下列關于運用植物組織培養技術產生新個體的敘述，錯誤的是()【導學號：72240018】A．屬于無性生殖B．主要理論依據是植物細胞具有全能性C．培養過程中由于人工培養基含大量營養，不需光照就能發育成完整植株D．人工培養基中含植物生長發育所需的全部營養物質，包括礦質元素、糖、維生素等【解析】植物組織培養屬于無性生殖，依據的理論基礎為植物細胞的全能性；在培養基中含有植物細胞發育所需要的全部營養物質；組織培養的脫分化階段不需要光，但是再分化階段需要光。【答案】C2．下圖所示為胡蘿卜的韌皮部細胞通過無菌操作，接入試管后，在一定條件下，形成試管苗的培育過程。請據圖回答下列問題：(1)要促進細胞分裂生長，培養基中應有營養物質和激素。營養物質包括________和小分子有機物，激素包括細胞分裂素和________兩類植物激素。(2)此過程依據的原理是______________。A和B階段主要進行的分裂方式是________，B階段除了細胞分裂外，還進行細胞________等。(3)此過程要無菌操作，主要是指對________進行滅菌消毒。B階段需要光照，原因是_________________________________________________________________________________________________________________________。(4)試管苗的根細胞沒有葉綠素，而葉的葉肉細胞具有葉綠素，這是________的結果。(5)A、B兩過程能否在同一培養基上進行？___________________________。【解析】植物組織培養是用離體的植物組織、器官或細胞接種到經消毒滅菌的培養基中，培養基含有供組織細胞生長發育所需要的無機物和小分子有機物，還有供調節細胞脫分化和再分化的細胞分裂素和生長素。由外植體發育到試管苗，脫分化階段細胞進行有絲分裂；再分化階段愈傷組織經細胞有絲分裂和分化形成試管苗，此階段需要光照，原因是葉肉細胞中葉綠素的合成需要光照條件。由于細胞分裂素和生長素對脫分化、再分化的作用不同，因此需配制不同濃度比值的生長素、細胞分裂素培養基，通過轉接以便順利完成脫分化和再分化。【答案】(1)無機物生長素(2)細胞的全能性有絲分裂分化(3)培養基芽發育成葉，葉肉細胞中葉綠素的合成需要光照條件(4)基因選擇性表達(5)不能植物體細胞雜交1．概念將不同種的植物體細胞，在一定條件下融合成雜種細胞，并把雜種細胞培育成新的植物體的技術。2．過程(1)去壁：用纖維素酶和果膠酶去除植物細胞壁，獲得原生質體。(2)誘導原生質體融合的方法：①物理法：離心、振動、電激等。②化學法：用聚乙二醇(PEG)誘導。3．意義克服不同種生物遠緣雜交的不親和性。eq\a\vs4\al([合作探討])探討eq\a\vs4\al(1)：將白菜體細胞和甘藍體細胞融合時，首先遇到的障礙是什么？用什么方法可以解除此障礙？提示：細胞壁阻礙細胞間的融合。用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁。探討eq\a\vs4\al(2)：只考慮兩兩融合，原生質體A和B可以形成幾種融合細胞？哪種融合細胞才是符合要求的？提示：三種。AB才是符合要求的。探討eq\a\vs4\al(3)：細胞融合完成的標志與植物體細胞雜交完成的標志相同嗎？為什么？提示：不相同。細胞融合完成的標志是雜種細胞再生出細胞壁，而植物體細胞雜交完成的標志是培育出雜種植株，而不是形成雜種細胞。探討eq\a\vs4\al(4)：從結果上看雜種植株在遺傳上有何特點？從雜種植株的染色體組成上看屬于何種變異？提示：(1)遺傳物質來自兩個親本，具有雙親的遺傳性狀。(2)染色體數目增加，屬于染色體數目的變異。探討eq\a\vs4\al(5)：從新品種培育的角度分析，植物體細胞雜交技術最大的優點是什么？提示：克服了不同種植物遠緣雜交的障礙，使不同種植物雜交成為可能。eq\a\vs4\al([思維升華])1．植物組織培養和植物體細胞雜交的比較名稱植物組織培養植物體細胞雜交原理植物細胞的全能性細胞膜具有一定的流動性和植物細胞的全能性過程選材選取根尖、莖尖、形成層部位最容易誘導脫分化不同植物細胞融合后形成的雜種細胞技術操作脫分化、再分化等除脫分化、再分化外，還要用酶解法去除細胞壁，用一定的方法誘導細胞融合關系植物組織培養是植物體細胞雜交的基礎，植物體細胞雜交所用的技術更復雜2.植物體細胞雜交過程中的注意事項(1)植物體細胞雜交的培養基中要添加蔗糖且濃度略大于植物細胞質濃度，不僅為原生質體提供營養，而且還能維持一定的滲透壓，使原生質體保持正常的形態。(2)體細胞融合后培養基中共有5種細胞類型(A、B、AA、BB、AB)，其中融合細胞類型有3種(AA、BB、AB)，而真正符合要求的是AB，因此要對融合細胞進行篩選。(3)體細胞雜交過程中涉及的遺傳知識：①從生殖類型上看，植物體細胞雜交技術沒有生殖細胞的形成和結合，應屬于無性生殖，變異類型應是染色體數目的變異，形成的是異源多倍體，由于含有兩個親本的遺傳物質，因此理論上應具有兩個親本的遺傳性狀。②體細胞雜交即兩個細胞融合成一個細胞，不管染色體、基因組還是染色體組都是兩親本之和。若一植物細胞含有2x條染色體，2個染色體組，基因型為Aabb，另一植物細胞含有2y條染色體，2個染色體組，基因型為ccDd，則新植株應為異源四倍體，其體細胞中染色體為(2x＋2y)條，4個染色體組，基因型為AabbccDd。③培育新品種的過程中，遺傳物質的傳遞不遵循孟德爾的遺傳定律，只有在有性生殖進行減數分裂過程中才符合遺傳定律，而體細胞雜交沒有此過程。1．下列有關植物體細胞雜交的敘述，錯誤的是()A．有可能把兩個植物體的優良性狀集中在雜種植株上B．需要用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁C．利用聚乙二醇可以促進原生質體融合D．植物體細胞雜交就是將不同的植物體細胞融合成雜種細胞【解析】植物體細胞雜交之前，需要用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁，獲得具有活力的原生質體；進行原生質體間的融合，必須要進行人工誘導，如可用聚乙二醇促進原生質體融合；植物體細胞雜交就是將不同的植物體細胞融合成雜種細胞，并將該雜種細胞培育成新的植物體的技術。【答案】D2．用細胞工程技術將天竺葵與香茅草雜交產生了驅蚊香草，下列有關培育過程的敘述錯誤的是()A．需要用酶解法制備原生質體B．愈傷組織的代謝類型是自養需氧型C．克服了遠緣雜交不親和的障礙D．包含了有絲分裂和細胞分化的過程【解析】該過程中需利用植物體細胞雜交技術，需先利用纖維素酶和果膠酶處理，以制備原生質體；愈傷組織細胞不能進行光合作用，需利用培養基中的有機物；其代謝類型應為異養需氧型，B項錯誤；該技術克服了天竺葵與香茅草之間的種間障礙，雜種細胞培育成完整植株包括了有絲分裂及細胞分化為莖、葉、根等過程，C、D項正確。【答案】B1．下列屬于植物組織培養的是()【導學號：72240019】A．花粉培養成單倍體植株B．芽發育成枝條C．根尖分生區發育成成熟區D．受精卵發育成植株【解析】植物組織培養的過程簡要概括為：離體的植物器官、組織或細胞經脫分化形成愈傷組織，經再分化形成根、莖、芽等器官，并進一步培養出完整的植株。花粉離體培養是植物組織培養的新技術，花粉細胞具有全能性；芽發育成枝條、根尖分生區發育成成熟區是正常的生長過程，受精卵發育成植株是正常的生殖過程。【答案】A2．在離體的植物器官、組織或細胞脫分化形成愈傷組織的過程中，下列哪一項條件是不需要的()A．消毒滅菌 B．適宜的溫度C．充足的光照 D．適宜的養料和激素【解析】形成愈傷組織，需要在消毒滅菌條件下進行。因為只有在消毒滅菌條件下，才能保證培養出的組織、細胞避免感染，否則培養基內將長出許多微生物，與離體細胞爭奪營養與生存空間，使其不能形成愈傷組織。由于此階段形成的是愈傷組織，并沒有形成具有根、莖、葉的植物體，因此不需要光照。【答案】C3．某興趣小組擬用組織培養繁殖一種名貴花卉，其技術路線為“取材→消毒→愈傷組織培養→出芽→生根→移栽”。下列有關敘述，錯誤的是()A．消毒的原則是既殺死材料表面的微生物，又減少消毒劑對細胞的傷害B．在愈傷組織培養中加入細胞融合的誘導劑，可獲得染色體加倍的細胞C．出芽是細胞再分化的結果，受基因選擇性表達的調控D．生根時，培養基通常應含α-萘乙酸等生長素類調節劑【解析】植物組織培養中消毒的原則是既殺死材料表面的微生物，又減少消毒劑對培養材料的傷害；形成的愈傷組織需先除去細胞壁得到原生質體，再在細胞融合誘導劑作用下獲得染色體加倍的細胞；細胞分化的實質是基因的選擇性表達；植物組織培養過程中，生根階段的培養基中通常應含有生長素類調節劑。【答案】B4．野生馬鈴薯品種的植株具有較強的抗病、抗蟲、抗鹽堿、抗寒能力，但塊莖不能食用。某專家做實驗研究，用野生馬鈴薯與馬鈴薯的體細胞進行雜交，培育出了生活能力強的雜交系馬鈴薯。據圖分析回答問題：(1)①過程植物細胞原生質體的分離需經過酶解，其中“酶解”所用的酶應該包括_____________________________________________________________。(2)②過程需要用到聚乙二醇(PEG)，其目的是________。(3)請用文字和箭頭表示出④→⑤技術過程的實驗流程：_________________________________________________________