1、专题2 细胞工程 2.1 植物细胞工程 考点一 植物细胞工程的基本技术【核心知识通关】1.细胞工程的概念理解：项 目内 容原理、方法_和_操作水平_或细胞器水平细胞生物学 分子生物学 细胞水平 项 目内 容工程目的改变细胞内的_或获得细胞产品工程特点定向性：按照人的意愿 广泛性：克服了_的障碍类 型_和动物细胞工程遗传物质 远缘杂交不亲和 植物细胞工程 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_。(2)物质基础：细胞内含有本物种全部的_。(3)体内细胞全能性不表达的原因：在特定的时间和空 间条件下细胞内的基因_出各种蛋白质，从 而形成不同的组织和器官。
2、发育成完整生物体的潜能 遗传信息 选择性表达 3.植物组织培养与植物体细胞杂交的比较：名 称植物组织培养植物体细胞杂交原 理_细胞膜具有一定的流动 性和_细胞的全能性 细胞的全能性 名 称植物组织培养植物体细胞杂交过 程 愈伤组织 愈伤 组织 名 称植物组织培养植物体细胞杂交选 材根尖、茎尖、形成层等最容易诱导脱分化的部位不同的植物细胞技术 操作脱分化、再分化等除脱分化、再分化外，还要用酶解法去除_ _，用一定的方法诱导 _关 系_是_的基础，植物体细胞杂交所用的技术更复杂细胞 壁 细胞融合 植物组织培养 植物体细胞杂交 4.脱分化和再分化的比较：内 容脱分化再分化过 程外植体愈伤组织愈伤组织
3、胚状体形成体 特点排列疏松、无规则、高度液泡化的薄壁细胞有根、芽内 容 脱分化 再分化 条 件 a.离体 b.适宜的营养 c.生长素/细胞分裂素的比例适中 d.不需要光照 a.离体 b.适宜的营养 c.生长素和细胞分裂素 d.光照 5.杂种植株分析：(1)特征：由于含有两种植物的遗传物质，所以具备两种植物的遗传特征。(2)染色体组成和基因型。分析方法：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采用直接相加的方法。实例：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4个染色体组，是
4、四倍体，其体细胞中染色体数为(2X+2Y)，基因型为AabbccDd。【特别提醒】激素比例与分化的关系 适当提高生长素与细胞分裂素的比例容易生根，适当提高细胞分裂素与生长素的比例容易生芽，比例适中诱导产生愈伤组织。(图示如下)：【思维拓展】植物组织培养过程分析(1)取材：选取有形成层的部位最容易诱导形成愈伤组织。(2)繁殖方式和增殖方式：该过程从繁殖方式上应为无性繁殖，细胞分裂方式为有丝分裂，包含脱分化和再分化两个阶段。(3)利用时期：获取细胞产品的时期应为脱分化之后再分化之前的愈伤组织；制作人工种子使用再分化后形成的胚状体阶段。【高考模拟精练】1.(2016广州模拟)如图表示胡萝卜的韧皮部细
5、胞通过无菌操作接入试管后，在一定的条件下，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_和小分子有机物，激素包括细胞分裂素和_两类植物激素。(2)此过程依据的原理是_ _。A和B阶段主要进行的分裂方式是_ _，B阶段除了细胞分裂外，还进行细胞_等。(3)此过程要无菌操作，主要是指对_进行灭菌消毒。B阶段需要光照，原因是_ _。(4)试管苗的根细胞没有叶绿素，而叶肉细胞具有叶绿素，这是基因_的结果。【解题指南】解答本题时特别关注以下两点：(1)植物组织培养的培养基成分中营养成分和激素的种类。(2)植物组织培养的过程中需要无菌操作，脱
6、分化过程中不需要光照，但再分化过程中需要光照。【解析】(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)植物组织培养过程依据的原理是植物细胞的全能性。A是脱分化过程，B是再分化过程，两者均进行有丝分裂，B阶段除了细胞分裂外，还进行细胞分化等。(3)植物组织培养过程需要无菌操作，主要是指对培养基进行灭菌消毒。再分化阶段需要光照，原因是在此过程中芽发育成叶，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，而叶肉细胞具有叶绿素，这是基因选择性表达的结果。答案：(1)无机物 生长素(2)植物细胞的全
7、能性 有丝分裂 分化(3)培养基 芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件(4)选择性表达 2.(2016九江模拟)下面为“番茄马铃薯”的培育过程示意图，请据图回答问题：(1)运用传统的有性杂交方法(即用番茄、马铃薯杂交)自然状态下不能得到杂种植株，原因是_ _。(2)在利用杂种细胞培育杂种植株的过程中，依据的原理是_，其中过程称为_，植物体细胞融合完成的标志是_。(3)已知番茄、马铃薯分别为四倍体、二倍体，则“番茄马铃薯”属于_倍体植株。(4)已知柴油树种子含有的柴油是植物细胞的代谢产物，可用植物组织培养来实现柴油的工业化生产。若利用此技术，将柴油树细胞培养进行到_(填字母编号)时期即
8、可。(5)若培育抗虫棉，将抗虫基因通过适当的途径导入棉花受精卵中，然后进行组织培养，相当于过程_(填数字编号)。【解析】(1)番茄和马铃薯属于两种植物，存在生殖隔离，不能通过有性杂交产生后代。(2)在利用杂种细胞培育杂种植株的过程中，依据的原理是细胞的全能性，其中过程称为原生质体融合，植物体细胞融合完成的标志是产生新的细胞壁。(3)由于番茄、马铃薯分别为四倍体、二倍体，因此植物体细胞杂交得到的“番茄马铃薯”属于异源多倍体里面的异源六倍体。(4)柴油是植物细胞的代谢产物，将柴油树细胞培养进行到愈伤组织即可提取，愈伤组织为图中的e时期。(5)若培育抗虫棉，将抗虫基因通过适当的途径导入棉花受精卵中，
9、然后进行组织培养，包括脱分化和再分化两个阶段，即图中的过程。答案：(1)不同种的植物之间存在生殖隔离(2)细胞的全能性 原生质体融合 产生新的细胞壁(3)六(4)e(5)【知识总结】细胞全能性的比较(1)细胞的分化程度越高，其分裂能力越弱，其全能性越不容易表现出来。(2)受精卵生殖细胞体细胞。(3)体细胞中：植物细胞动物细胞(只有细胞核才有全能性，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)。【加固训练】1.某研究组对籼稻开展了组织培养及相关研究，请回答下列问题：(1)2，4-D常用于籼稻愈伤组织的诱导，对形态的发生有一定的抑制作用。为促进愈伤组织再分化，
10、在配制分化培养基时需_(填“升高”“保持”或“降低”)2，4-D的浓度。(2)当籼稻愈伤组织在只含有细胞分裂素的培养基上培养时，出现具有分生能力的绿色芽点，但不能继续出芽，通常在培养基中添加_，以促进幼苗形成。(3)研究中用显微镜可以观察到的现象是_(填下列序号)。绿色芽点细胞排列松散 刚融合的籼稻和稗草杂交细胞发生质壁分离 胚状体细胞中有叶绿体 分化的愈伤组织内各细胞的形态大小一致(4)经组织培养筛选获得的籼稻叶绿素突变体，其叶绿素a与叶绿素b的比值显著大于对照，叶绿素总量不变。某同学用_(填序号：绿色；红色；蓝紫色；黄色)光照射突变体和对照叶片，检测到两者光合放氧速率差异不大。若取等量色素
11、提取液进行层析，会发现突变体第_条色素带(自上而下)窄于对照组。(5)若用籼稻种子的胚乳诱导愈伤组织，培育三倍体，需适时剔除胚，以免胚的存在影响愈伤组织细胞的_，还可避免再生苗中混有_ _。【解析】(1)2，4-D有利于细胞愈伤组织的形成，不利于愈伤组织的再分化，因此分化培养基中应降低2，4-D的浓度。(2)出现具有分生能力的绿色的芽点，但不能继续出芽说明细胞的分裂受到了阻碍，因此应添加适量的生长素。(3)绿色芽点属于分生组织，细胞排列紧密；刚融合的杂交细胞还没有形成大液泡，不能发生质壁分离；将单个细胞或组织培养到胚状体时，需进行光照，说明此时胚状体中含有叶绿体；分化的细胞具有不同的形态结构。
12、(4)叶绿素a和叶绿素b对绿光和黄光吸收较少，用这两种光照射含叶绿素a和叶绿素b不同的叶片时，检测到的光合放氧速率差异不大；叶绿素b位于色素带的最下方，即第4条，突变体中叶绿素b的含量下降，因此最下方的色素带变窄。(5)在组织培养过程中胚更容易发育成愈伤组织，而且由胚发育成的个体为二倍体。答案：(1)降低(2)适量的生长素(3)(4)4(5)增殖与分化 二倍体幼苗 2.(2016银川模拟)下图是细胞融合示意图，请据图回答：(1)过程应使用酶处理细胞，目的是_ _。(2)过程叫做_，该过程常用的诱导方法是_。(3)过程是细胞壁的再生过程，与此过程密切相关的细胞器是_。(4)过程中进行的细胞分裂方
13、式是_ _，该过程先诱导细胞分裂形成_ _，再由它分化形成杂种植株幼苗。【解析】(1)进行植物体细胞杂交时，需用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁获得原生质体。(2)图中为去除细胞壁的原生质体进行融合的过程，诱导原生质体融合时常用物理法和化学法(电激或聚乙二醇)。(3)杂种细胞再生出新的细胞壁是细胞融合完成的标志，细胞中高尔基体与细胞壁的形成有关。(4)图中过程为将细胞培育成植株的过程，此过程需利用植物的组织培养技术，此技术需经历脱分化和再分化过程，杂种细胞经过脱分化形成愈伤组织，再经历再分化形成植株幼苗，整个过程进行的细胞分裂方式为有丝分裂。答案：(1)去除植物细胞壁(2)原生质体融合 物理法和
14、化学法(电激或聚乙二醇)(3)高尔基体(4)有丝分裂 愈伤组织 3.(2016上饶模拟)野生马铃薯品种的植株具有较强的抗病、抗虫、抗盐碱、抗寒能力，但块茎不能食用。俄、德、芬兰专家共同用野生马铃薯与正常马铃薯的体细胞进行杂交实验，培育出了生活能力强的杂交系马铃薯。据图分析回答下列问题。(1)请用文字和箭头表示出技术过程的实验流程：_。由此过程可以看出植物细胞有形成再生组织的可能性，这是_ _的表现。(2)一般在培养基上培养2448 h后，大部分原生质体已再生出细胞壁。此时可以取样，通过_ _实验来鉴别细胞壁是否已经再生。(3)请说明运用此植物体细胞杂交法的最大好处_。【解析】(1)是杂种细胞经
15、过脱分化、再分化形成幼苗的过程，这是植物细胞全能性的体现。(2)有细胞壁的植物细胞可以进行细胞的质壁分离与复原。(3)植物体细胞杂交不通过有性生殖，故可以克服有性生殖远缘杂交不亲和的障碍，培育出兼有两物种品质的优良物种。答案：(1)融合细胞 愈伤组织 幼苗 植物细胞具有全能性(2)植物细胞的质壁分离与复原(3)可使本来存在着生殖隔离的物种进行杂交，培育出兼有两物种品质的优良物种(或克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍)考点二 植物细胞工程的实际应用 【核心知识通关】1.植物繁殖的新途径：(1)微型繁殖。概念：用于快速繁殖优良品种的_ _。植物组织培养 技术 微型繁殖有两个优点。a._。b.高效快速
16、地实现种苗的_。保持优良品种的遗传特性 大量繁殖(2)作物脱毒。解决的问题：_繁殖的作物，感染的病毒在体内逐年积累，产量降低，品质变差。解决方法：切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。无性 理论基础：植物分生区附近病毒极少，甚至无病毒。成果：采用茎尖组织培养技术，已获得脱毒的马铃薯、草莓、甘蔗、菠萝和香蕉等。(3)人工种子。获取方法：以植物组织培养得到的_ _、顶芽和_等为材料，用人工薄膜包装。胚状体、不定 芽 腋芽 解决的问题。a.一些植物繁殖周期长，数年后才能结出种子；b.有些作物优良杂种的后代因发生_而丧失其优良特性；c.常规种子的生产受_和地域的限制
17、，并且占用大量的土地。性状分离 季节、气候 2.作物新品种的培育：(1)单倍体育种。过程：花药 单倍体 纯合子 原理：_。优点：后代稳定遗传，都是_；明显缩短 _。染色体(数目)变异 纯合子 育种年限(2)突变体的利用。突变体：分生状态的细胞 突变体。突变体的利用：人们从突变体中筛选出对人们有用 的个体，进而培育成_。新品种 3.细胞产物的工厂化生产：(1)细胞产物的种类：_、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。(2)成功的实例：_、紫草和银杏的细胞产物都已实现了工厂化生产。蛋白质 人参、三七【特别提醒】需求不同，育种方法不同(1)杂交育种的选择依据：将两亲本的优良性状集中于同一个生物体上。(2
18、)单倍体育种的选择依据：需要快速育种，经过秋水仙素处理幼苗，即可得到纯合植株。(3)诱变育种的选择依据：需要大幅度改良某一性状。(4)多倍体育种的选择依据：需要提高品种产量，提高营养物质含量。(5)植物微型繁殖技术的选择依据：需要短时间内大面积繁殖某一品种的植物。【高考模拟精练】1.(2014广东高考)铁皮石斛是我国名贵中药，生物碱是其有效成分之一。应用组织培养技术培养铁皮石斛拟原球茎(简称PLBs，类似愈伤组织)生产生物碱的实验流程如下：在固体培养基上，PLBs的重量、生物碱含量随增殖培养时间的变化如图所示，请回答下列问题：(1)选用新生营养芽为外植体的原因是_ _，诱导外植体形成PLBs的
19、过程称_。(2)与黑暗条件下相比，PLBs在光照条件下生长的优势体现在_，_ _，_。(3)脱落酸(ABA)能提高生物碱含量，但会抑制PLBs的生长。若采用液体培养，推测添加适量的ABA可提高生物碱产量。同学们拟开展探究实验验证该推测，在设计实验方案时探讨了以下问题：ABA的浓度梯度设置和添加方式：设4个ABA处理组，1个空白对照组，3次重复。因ABA受热易分解，故一定浓度的无菌ABA母液应在各组液体培养基_ _后按比例加入。实验进程和取样：实验50天完成，每10天取样，将样品(PLBs)称重(g/瓶)后再测定生物碱含量。如初始(第0天)数据已知，实验过程中还需测定的样品数为_。依所测定数据确
20、定适宜的ABA浓度和培养时间：当某3个样品(重复样)的_时，其对应的ABA浓度为适宜浓度，对应的培养时间是适宜培养时间。【解题指南】(1)图示信息：实验流程中形成PLBs，联系由植物离体组织形成愈伤组织的过程；坐标曲线图中曲线的走势表示生物碱含量和PLBs重量变化情况，光照影响PLBs重量。(2)隐含知识：脱落酸的作用、细胞的全能性、脱分化、影响PLBs的因素。【解析】本题考查植物组织培养相关知识及读图析图能力、分析实验能力。(1)新生营养芽细胞分化程度低，容易形成PLBs；根据题干可知，PLBs类似愈伤组织，外植体形成愈伤组织的过程是脱分化。(2)据图分析可知，在光照条件下，PLBs约从15
21、天时开始生长，早于黑暗条件下(约从第30天开始生长)；光照条件下PLBs生长时间约35天，长于黑暗条件下生长时间(约20天)；光照条件下最终PLBs重量高于黑暗条件下的PLBs重量。(3)由于ABA受热易分解，所以各组液体培养基灭菌后冷却，再加入ABA。根据题干信息可知，实验中4组ABA处理组加1组对照组，3次重复，测定10、20、30、40、50天共5组数据，共计75组样品。在适宜的ABA浓度、适宜的培养时间时，样品中生物碱含量最大。答案：(1)细胞分化程度低，分裂能力强，生长旺盛 脱分化(2)生长起始较快 增重持续时间较长 PLBs产量较高(3)灭菌冷却 75 生物碱含量最大 2.(201
22、3天津高考节选)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。(2)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。(3)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
23、，然后在显微镜下观察比较染色体的形态和数目。【解析】(1)用于融合的两个细胞，一个是黑芥苗的 叶肉细胞，一个是花椰菜的根细胞，其中供体细胞特 有的结构是叶绿体，可通过观察叶绿体的有无作为初 步筛选杂种细胞的标志。(2)原生质体没有细胞壁的 保护，需要加入适宜浓度的甘露醇以保证渗透压的稳 定，以避免原生质体吸水或失水破坏原生质体的完整 性；原生质体通过细胞壁再生形成杂种细胞，进而 形成愈伤组织。(3)分析再生植株染色体变异类型，需要制片观察再生植株细胞染色体和黑芥苗与花椰菜细胞中的染色体，制作装片的基本程序是解离、漂洗、染色、制片。答案：(1)叶绿体(2)保持原生质体完整性 细胞壁(3)双亲(或
24、花椰菜和黑芥)解离 漂洗【延伸探究】(1)原生质体与原生质层是否相同？提示：否。原生质体是指去掉细胞壁后细胞剩余部分，原生质层是指细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质。(2)植物体细胞杂交与植物组织培养的联系是什么？提示：植物体细胞杂交形成杂种细胞后，必须经过植物组织培养的脱分化、再分化得到杂种植株。【加固训练】1.人工种子的培育过程如下图所示，请据图回答下面的问题。(1)人工种子依据的原理是_，经过_技术培育而成。(2)包埋胚状体的胶质可以看作是种子的哪部分结构？_ _。(3)某二倍体植物基因型有DdTt，利用这种生物技术采用花药离体培养的方法，可培育成“花粉胚”，也可制成人工种子，这种种子
25、萌发形成的个体为_ _，基因型为_。(4)如果外植体为植物的茎尖，通过的处理可使细胞彼此分离，可加入下列哪种试剂()A.15%的盐酸 B.淀粉酶 C.果胶酶 D.胰蛋白酶(5)表示脱分化过程，其实质是_ _；表示再分化过程，其实质是_。(6)从上面所述胚状体的类型分析，人工种子萌发长成的植株是否可育？_ _。【解析】(1)人工种子能发育成完整的植株，说明其细 胞内含有个体发育的全部基因，因此原理是植物细胞 的全能性，可通过植物组织培养技术获得。(2)包埋胚 状体的胶质有保护胚状体的作用，同时又可以给胚状 体提供营养物质，所以可以看作是种皮及胚乳或子叶。(3)由花药(或花粉)等配子发育成的个体称
26、为单倍体，其基因型为配子基因型，即DT、Dt、dT、dt四种。(4)使植物细胞彼此分离可以使用果胶酶，因为植物细胞壁的主要成分是果胶。(5)脱分化实质上是使细胞恢复分裂能力，而再分化就是分化，即基因选择性表达。(6)由题目信息可知，人工种子的胚状体可来自茎尖、芽尖、子房、花粉等，如果来自花粉，得到的个体是单倍体，单倍体一般高度不育。答案：(1)植物细胞的全能性 植物组织培养(2)种皮及提供营养的胚乳或子叶(3)单倍体 DT、Dt、dT、dt(4)C(5)使细胞恢复分裂 基因的选择性表达，导致了细胞形态、结构和功能的改变(6)若是由花粉(或三倍体植物的营养器官)发育而来的则不可育，若是由茎尖、根
27、尖等营养器官发育而来的则可育 2.(2015荆门模拟)下图所示为农作物新品种的育种方式。请据图回答下列问题：(1)图示育种方式涉及的生物工程技术有：_ _、_、_ _。(2)过程分别为_、_。(3)过程中常用的载体是_；过程表示的基因操作步骤是_。【解析】(1)图中过程涉及基因工程，过程为植物体细胞杂交，两者都需要植物组织培养技术的支持。(2)图中为脱分化的过程，可获得愈伤组织，然后经过再分化得到胚状体。(3)基因工程中常用的载体为质粒。过程是将目的基因导入某种植物受体细胞中。答案：(1)基因工程 植物组织培养 植物体细胞杂交(细胞融合)(2)脱分化 再分化(3)质粒 将目的基因导入受体细胞
28、3.(2016咸阳模拟)下图列举了几种植物的育种方式，请据图回答相关问题。(1)甲育种方式称为_。(2)通过丁种方式可以获得脱毒苗，培养过程中c常取用茎尖的原因是_。(3)丙方式将外源目的基因导入受体植物细胞，最常采用的方法是_。(4)甲、丙两种育种方式与传统杂交育种相比，其优点是_。【解析】(1)由a、b两种细胞通过一定的技术手段获得c，属于植物体细胞杂交。(2)植物分生区附近(如茎尖)的病毒极少，甚至没有病毒，因此常用茎尖组织培养技术获得脱毒苗。(3)将外源基因导入受体植物细胞的方法，最常用的是农杆菌转化法。(4)植物体细胞杂交和基因工程都能克服不同物种间远缘杂交不亲和的障碍，而传统杂交育种由于生殖隔离而不能实现种间杂交。答案：(1)植物体细胞杂交(2)茎尖不带病毒或者病毒极少(3)农杆菌转化法(4)能克服不同物种间远缘杂交不亲和的障碍