1、第2节 细胞的分化 概念认知自主学习一、细胞分化及其意义 1.概念:2.特点:连一连:基于对细胞分化特点的理解,完成下列连线 3.意义:(1)生物_的基础。(2)使多细胞生物体中的细胞趋向_,有利于提高各种_的效率。4.实质:_的结果,即在个体发育过程中,不同种类的细胞中遗传 信息的执行情况_(填“相同”或“不同”)。【警示】细胞分化过程中,细胞中的遗传信息不变,即:基因的种类不变。个体发育 专门化 生理功能 基因选择性表达 不同 二、细胞的全能性 1.细胞全能性的理解角度:(1)前提:_。(2)潜能和特性:产生_或分化成其他_。2.干细胞的概念:(1)存在的位置:_。(2)数量:少数。(3)
2、特点:具有_能力。(4)实例:骨髓中的_。脐带血中的_。细胞已分裂和分化 完整有机体 各种细胞 动物和人体内 分裂和分化 造血干细胞 全能干细胞【质疑批判】某同学使用高倍显微镜观察了胡萝卜的叶肉细胞和韧皮部细胞,并结合本节内 容得出以下结论:细胞含有的染色体数目相同。细胞含有的细胞器种类不同。细胞中核DNA分子携带的遗传信息不同。细胞都具有全能性。都是高度分化的细胞,分化程度相同。你的判断:正确的有_。【思维激活】蜜蜂群体中的雄蜂是由未受精的卵细胞发育而来,结合本节内容分析该实例说明了什么?提示:动物的生殖细胞具有全能性。能力形成合作探究学习任务一:细胞分化【情境探究】请结合细胞增殖和细胞分化
3、的图解探究:【探究活动】(科学思维比较与归纳)1.细胞增殖与细胞分化:项目生命历程结果A细胞增殖细胞数目增多B细胞分化细胞种类增多A、B间的联系 细胞分裂是细胞分化的基础,两者往往相伴相随,一般情况下细胞的分化程度越高,分裂能力越低探讨:通过细胞增殖和细胞分化产生的不同细胞中的基因和蛋白质的种类有何不同?提示:细胞增殖产生的不同细胞中的基因和蛋白质种类均相同;细胞分化产生的不同细胞中的基因相同,蛋白质的种类不同。2.三个水平分析细胞分化:探讨:细胞分化会不会导致细胞中细胞器的种类发生变化呢?试举例说明。提示:可能会。如:哺乳动物成熟的红细胞中各种细胞器退化。根尖成熟区细胞不含叶绿体,而叶肉细胞
4、含叶绿体。细胞水平细胞的形态、结构和生理功能发生改变亚显微结构水平细胞器的数目及细胞质基质成分发生改变分子 水平蛋白质 角度蛋白质种类、数量、功能发生改变基因角度基因选择性表达,即遗传信息的表达情况不同,这是细胞分化的根本原因【易错陷阱】细胞分化的两个误区(1)误认为细胞分化导致遗传物质变化。细胞分化是基因选择性表达的结果,其遗传信息不变,含有相同的基因。(2)误认为细胞分化只是形态结构发生变化。细胞分化后细胞的形态、结构和生理功能发生变化。【知识拓展】1.细胞分裂与细胞分化的比较:项目细胞分裂细胞分化细胞 变化细胞数量增多细胞形态、结构和生理功能发生稳定性差异,细胞种类增多发生 时间从受精卵
5、开始发生在生物体的整个生命过程中意义 保持了亲子代遗传性状的稳定性 保证了生物体正常发育联系 细胞分裂是细胞分化的基础,两者往往是相伴相随的,一般而言,分化程度越高,分裂能力则逐渐降低2.细胞分裂、细胞分化与个体生长发育的关系:【素养案例】形态结构各异,执行不同功能的多种细胞构成了一个生命有机体。如图所示为来自同一个人的4种细胞,下列叙述正确的是()A.因为来自同一人体,所以各细胞中的蛋白质种类均相同 B.因为各细胞中携带的基因不同,所以形态、结构和功能不同 C.虽然各细胞大小不同,但细胞中含量最多的化合物相同 D.各细胞的生理功能不同,细胞核中的遗传物质也不同【思维流程】【解析】选C。因为来
6、自同一人体,所以各细胞核中的DNA相同,由于细胞分化,各细胞中的蛋白质种类不完全相同,A错误;各细胞中携带的基因相同,但由于基因的选择性表达,因此形态、结构和功能不同,B错误;4种细胞形态、大小不同,但细胞中含量最多的化合物相同,都是水,C正确;各细胞的生理功能不同,是细胞分化的结果,但是细胞核中的遗传物质相同,D错误。【素养迁移】(1)细胞分化产生的肌肉细胞与小肠上皮细胞相比,哪种细胞器较多?这体现了什么生命观念?提示:线粒体较多。体现了结构与功能相适应的生命观念。(2)图中的4种细胞中的核DNA与发育成该个体的受精卵中的核DNA是否相同?简要说明你的理由。提示:相同,4种细胞是由受精卵通过
7、有丝分裂和细胞分化产生的,因此核DNA相同。【题后反思】细胞分化中的变与不变【典题加练】1.日本科学家利用皮肤细胞炮制出 iPS 细胞(多能干细胞),赢得了 2012 年诺贝尔医学奖。如图为该技术的操作流程模式图,根据图示推断 iPS 细胞()A.分化程度较低,能分化成多种细胞 B.水分减少,代谢速率较慢 C.分化形成的表皮细胞中染色体数目发生了变化 D.可分化形成一个完整的动物个体【解析】选A。根据图示推断 iPS 细胞分化程度较低,能分化成多种细胞,A正确;iPS 细胞分裂能力强,代谢速率较快,水分应该增多,B错误;分化的实质是基因的选择性表达,不改变染色体数目,C错误;图示 iPS 细胞
8、不可分化形成一个完整的动物个体,D错误。2.人 胰 岛 细 胞 能 产 生 胰 岛 素,但 不 能 产 生 血 红 蛋 白,是 因 为 胰 岛 细 胞()A.只有胰岛素基因 B.既有胰岛素基因,也有血红蛋白基因和其他基因,但基因选择性表达 C.比人的受精卵基因要少 D.有胰岛素基因和其他基因,但没有血红蛋白基因【解析】选B。胰岛细胞既有胰岛素基因,也有血红蛋白基因和其他基因,基因选择性表达使其只产生胰岛素,不产生血红蛋白。3.将胡萝卜韧皮部细胞诱导分化为根、茎、叶的过程中,不会发生的是()A.合成叶绿素 B.细胞生理功能的改变 C.DNA的种类发生改变 D.细胞器的种类和数量发生改变【解析】选
9、C。将胡萝卜韧皮部细胞诱导分化为根、茎、叶的过程中,韧皮部细胞经过脱分化形成愈伤组织,愈伤组织经过再分化形成具有根、茎、叶的幼苗,在此过程中细胞内会合成叶绿素,A不符合题意;在胡萝卜韧皮部细胞诱导分化为根、茎、叶的过程中,经历了细胞分裂与细胞分化,其中细胞分化使细胞生理功能发生改变,B不符合题意;细胞分化过程中,遗传物质DNA的种类不会发生改变,C符合题意;在细胞分化过程中,细胞器的种类和数量也会发生改变,D不符合题意。学习任务二:细胞的全能性【情境探究】我国科学家于2017年获得世界上首批克隆猴“中中”和“华华”,使我国率先发展出基于非人灵长类疾病动物模型的全新医药研发产业链,促进针对阿尔茨
10、海默病、自闭症等脑疾病,以及免疫缺陷、肿瘤、代谢性疾病的新药创制与研发,助力“健康中国2030”目标实现。思考:治疗阿尔茨海默病是利用干细胞分化成神经细胞代替异常的神经细胞,体现了细胞什么特点?提示:干细胞的全能性。【探究活动】(科学思维演绎与推理)1.物质基础:细胞中有发育成生物体所需的全套遗传信息 2.植物细胞全能性表达的条件:(1)离体状态。(2)适宜的水分、无机盐、营养物质、激素和温度等条件。探讨:克隆猴的成功,是否能说明已经分化的动物体细胞具有全能性?提示:不能,只能说明已分化的动物体细胞的细胞核具有全能性。3.细胞分化与细胞全能性的比较:项目细胞分化细胞全能性原理细胞内基因的选择性
11、表达含有本物种全套遗传物质结果形成形态、结构、生理功能不同的细胞形成新的个体或分化成各种细胞大小 比较细胞分化程度有高低之分:体细胞生殖细胞受精卵细胞全能性有大小之分:受精卵生殖细胞体细胞(植物细胞动物细胞)关系细胞分化不会导致遗传物质改变,已分化的细胞仍具有全能性 一般来说,细胞分化程度越高,全能性越难以实现;细胞分化程度越低,全能性就越容易实现探讨:克隆猴“中中”和“华华”的遗传性状与提供细胞核的供体猴的性状基本相同,原因是什么?提示:供体猴提供细胞核,遗传物质DNA主要分布于细胞核中,细胞核控制生物体的遗传性状。【易错陷阱】细胞全能性的误区 误认为有无全能性和全能性实现是同一回事。有无全
12、能性要依据是否含有整套遗传信息;能否实现要看能否分化成各种细胞或发育成完整个体。【素养案例】上海生命科学研究院成功诱导人成纤维细胞重编程为hiHep细胞,hiHep细胞具有干细胞的许多功能。下列相关叙述中,错误的是()A.人成纤维细胞重编程为hiHep细胞并未体现细胞的全能性 B.该项成果表明,分化了的细胞其分化后的状态是可以改变的 C.人成纤维细胞与hiHep细胞内的核酸是完全一样的 D.hiHep细胞的诱导成功为人类重症肝病的治疗提供了可能性【思维流程】【解析】选C。人成纤维细胞重编程为hiHep细胞,但没有形成完整个体,不能体现细胞的全能性,A正确;人成纤维细胞能重编程为hiHep细胞,
13、这表明分化了的细胞其分化后的状态是可以改变的,B正确;人成纤维细胞与hiHep细胞的DNA完全相同,但由于基因的选择性表达,两者所含的RNA有所区别,C错误;hiHep细胞具有干细胞的许多功能,因此hiHep细胞的诱导成功为人类重症肝病的治疗提供了可能性,D正确。【素养迁移】在不久的未来,hiHep细胞在人工诱导的作用下,可分化成其他各种细胞,该技 术_(填“可以”或“不可以”)体现细胞的全能性。可以【题后反思】细胞全能性的“具有”和“体现”(1)理论上活细胞(哺乳动物成熟的红细胞等除外)都具有全能性。(2)只有发育为完整个体或者分化成其他各种细胞才能“体现”细胞的全能性。(3)克隆动物只能“
14、体现”动物体细胞的细胞核具有全能性。【典题加练】1.细胞分化产生各种形态、结构和功能不同的细胞,但是每个细胞内的遗传物质没有改变,理论上每个细胞都具有全能性。下列关于细胞全能性的叙述,错误的是()A.细胞具有全能性是因为细胞内含有发育所需的全套遗传物质 B.细胞全能性是指已经分化的细胞仍然具有发育成完整个体或其他各种细胞的潜能 C.某些离体的植物细胞,在适宜条件下能够表现全能性 D.克隆羊多莉培育成功证明高度分化的动物细胞具有全能性【解析】选D。细胞内含有发育所需的全套遗传物质,故细胞具有全能性,A正确;细胞全能性是指细胞经过分裂和分化后,仍具有产生完整有机体或分化成其他各种细胞的潜能和特性,
15、B正确;某些离体的植物细胞,在适宜条件下,如一定的营养物质、激素、适宜的条件下,能够表现全能性,C正确;克隆羊多莉培育成功证明高度分化的动物细胞的细胞核具有全能性,D错误。2.如图为胡萝卜的植物组织培养示意图,下列有关叙述错误的是()A.胡萝卜植株的花粉不具有细胞的全能性 B.过程中细胞既进行细胞分裂又进行细胞分化 C.图示植物组织培养技术的原理是植物细胞的全能性 D.胡萝卜根、茎、叶等功能不同,从根本上说是基因选择性表达造成的【解析】选A。用花粉离体培养最终获得了完整植物个体,说明花粉细胞具有全能性,A错误;过程表示再分化,该过程中细胞既进行细胞分裂又进行细胞分化,B正确;植物组织培养技术的
16、原理是植物细胞的全能性,C正确;细胞分化的实质是基因的选择性表达,结果是形成不同的组织和器官,如根、茎、叶等,D正确。3.结合图示判断下列有关说法错误的是()A.图示可表明胚胎干细胞具有分化潜能 B.离体胚胎干细胞可诱导形成各种体细胞,体现了胚胎干细胞的全能性 C.分化后形成的不同细胞可形成不同的组织 D.胚胎干细胞具有无限增殖的特性【解析】选D。图示中胚胎干细胞可形成形态、结构和功能不同的细胞群,说明胚胎干细胞具有分化潜能,A正确;离体胚胎干细胞可诱导形成各种体细胞,体现了胚胎干细胞的全能性,B正确;细胞分化形成各种体细胞,形成不同的组织,C正确;胚胎干细胞是正常的机体细胞,是受机体的精确调
17、控进行分裂的,不能无限增殖,D错误。学情诊断课堂测评1.(水平1概念检测)在理解细胞分化和细胞全能性含义的基础上,分析并判断下列说法正确的有_。玉米花粉粒培育出植株体现细胞的全能性 干细胞培养皮肤是细胞分裂和分化的结果 人体的心肌细胞与唾液腺细胞结构与功能不同是细胞分化的结果 克隆羊“多莉”和克隆猴“中中”“华华”都体现了细胞的全能性 植物组织培养技术有利于快速繁殖植物【解析】选。玉米花粉粒培育出植株,体现了细胞的全能性,正确;干细胞培养皮肤是细胞分裂和分化的结果,正确;人体的心肌细胞与唾液腺细胞结构与功能不同是细胞分化的结果,正确;克隆羊“多莉”和克隆猴“中中”“华华”体现动物细胞核具有全能
18、性,但不能体现动物细胞具有全能性,错误;植物组织培养技术有利于快速繁殖植物,正确。2.(水平1)造血干细胞分化为血细胞的实质是()A.蛋白质种类和数目的改变 B.细胞的形态、结构和功能发生改变 C.基因的选择性表达 D.细胞亚显微结构的改变【解析】选C。细胞分化并不改变细胞原有的基因组成,表观上看是蛋白质的种类、数量、细胞器种类等发生变化,实质上是基因的选择性表达。3.(水平1)对于细胞的全能性最准确的描述是()A.细胞具有无限增殖的能力 B.单个细胞能进行个体的全部生命活动 C.已经分化的细胞仍然具有发育成完整有机体或其他各种细胞的潜能 D.细胞在形态、结构、生理功能方面出现稳定性差异【解析
19、】选C。细胞全能性是指已经分化的细胞具有发育成完整有机体或分化成其他各种细胞的潜能,C正确。4.(水平2)如图所示干细胞的特征具有分化能力和分裂能力,据图分析正确的是()A.如果该干细胞存在于正常人体骨髓中,那么分化后形成的红细胞中染色体数不变 B.干细胞具有分裂、分化的能力称为细胞的全能性 C.如果是胚胎干细胞,则其只分化不分裂 D.细胞分化是基因选择性表达的结果【解析】选D。人体骨髓中干细胞分化形成的成熟红细胞中细胞核退化,不存在染色体,A错误;细胞全能性是指已经分化的细胞,仍然具有发育成完整个体或其他各种细胞的潜能,B错误;胚胎干细胞既能分裂又能分化,C错误;细胞分化的实质是基因的选择性
20、表达,D正确。5.(水平2教材改编题“概念检测”)干细胞移植现已成为治疗糖尿病的一种临床新技术。自体骨髓干细胞植入胰腺组织后可分化为“胰岛样”细胞,以替代损伤的胰岛B细胞,达到治疗糖尿病的目的。下列叙述正确的是()A.骨髓干细胞与“胰岛样”细胞的基因组成不同,基因表达产物不同 B.骨髓干细胞与“胰岛样”细胞的基因组成相同,基因表达存在差异 C.胰腺组织微环境造成骨髓干细胞基因丢失,分化成为“胰岛样”细胞 D.胰腺组织微环境对骨髓干细胞分化无影响,分化是由基因决定的【解析】选B。自体骨髓干细胞与“胰岛样”细胞都来自同一个受精卵,两者所含基因相同,但分化方向和程度不同。在细胞分化过程中,基因选择性
21、表达,基因不会丢失,分化方向受基因控制,也受环境影响。【能力挑战题组】1.下列有关细胞分化和细胞全能性的描述中正确的是()A.细胞分化使多细胞生物体中的细胞趋向专门化,有利于提高生理功能的效率 B.细胞分化使细胞类型和细胞数目增多 C.上皮细胞与早期胚胎细胞遗传物质相同,因此它们的全能性高低应该相同 D.水稻种子萌发长成新植株体现了植物细胞的全能性【解析】选A。细胞分化是细胞内基因的选择性表达,使多细胞生物体中的细胞趋向专门化,有利于提高生理功能的效率,A正确;细胞分化使细胞类型增多,细胞数目没有增多,B错误;上皮细胞与早期胚胎细胞遗传物质相同,但是早期胚胎细胞的全能性高于上皮细胞,C错误;水
22、稻种子萌发长成新植株属于自然生长过程,不能体现植物细胞的全能性,D错误。2.如表为环腺苷酸(cAMP)和环鸟苷酸(cGMP)的浓度(M1、M2、M3、M4表示浓度,且M1M2M3M4)对细胞分化的影响情况(“+”表示促进分化,“-”表示抑制分化)。下列叙述正确的是()A.cAMP和cGMP的浓度对细胞分化具有调控作用 B.cAMP浓度增高时,则促进细胞分裂 C.cGMP浓度增高时,则促进细胞分化 D.cAMP和cGMP对细胞分裂没有影响 浓度M1M2M3M4cAMP-+cGMP+-【解析】选A。从表中数据可以看出,随着cAMP浓度的增加,促进细胞分化的强度增大;随着cGMP浓度的增加,促进细胞
23、分化的强度减弱,即cAMP和cGMP的浓度对细胞分化具有调控作用。通过此表不能看出这两种物质对细胞分裂有何影响,故选A。3.如图是与细胞增殖和分化有关的图解,据图回答下列有关问题。(1)图中A表示_过程,B表示_过程。(2)图中b、c、d、e具有相同的_。(3)图中,若e能合成血红蛋白,则b、c、d都_(4)若a为植物细胞,而d能在体外条件下培养成一个植物体,说明d具有_性。(5)图中的a、b、c、d、e这五个细胞相比,细胞的全能性最大的是_。【解析】(1)图中A、B分别是细胞数目增多和细胞形态改变,说明其分别表示细胞增殖和细胞的分化。(2)图中b、c、d、e细胞都是由a细胞分裂、分化而来的,
24、所以遗传信息相同。(3)不同细胞功能不同的内因是基因的选择性表达,血红蛋白基因只在红细胞中才表达,在其他细胞中控制合成血红蛋白的基因处于关闭状态。因此若e能合成血红蛋白,则b、c、d都不能合成血红蛋白。(4)植物细胞能在体外条件下培养成一个植物体,说明植物细胞具有细胞的全能性。(5)在细胞分裂、分化的过程中细胞的全能性降低,故图中的a、b、c、d、e这五个细胞相比,细胞的全能性最高的是a。答案:(1)细胞增殖(细胞的分裂)细胞的分化(2)遗传信息(3)不能 基因选择性表达(4)细胞的全能(5)a 素养发展创新应用【素材】人造血与健康 1966年,美国的两位教授做了一次示范表演,将一只小鼠完全浸
25、没在全氟化碳溶液中仍能活着,这是因为在这种溶液中小鼠仍能得到生存所必需的氧气,所以不至于因窒息而死亡。但是,这种全氟化碳溶液不能同血液混合。据美国大众科学网站报道:人造血可能会变成一个常见的事实,因为法国科学家首次成功地将实验室中用造血干细胞培育出的人造血输入了人体内,而且其表现与正常的血液一样。如图是造血干细胞的应用,据图回答问题 【探究】(1)造血干细胞是人体内保留的少数具有_能力的细胞,造血干细胞分化成其他细胞是_的结果。(2)在浆细胞中_(填“有”或“无”)血红蛋白基因;巨噬细胞的吞噬作用说明细胞膜具有_。(3)将已分化体细胞的细胞核移植到去核的卵细胞中,可以发育成新的个体,说明已分化
26、的体细胞_。【解析】(1)干细胞是人体内保留的少数具有分裂和分化能力的细胞;细胞分化的实质是基因的选择性表达。(2)在浆细胞中有血红蛋白基因,但该基因不表达;巨噬细胞的吞噬作用说明细胞膜具有(一定的)流动性。(3)将已分化体细胞的细胞核移植到去核的卵细胞中,可以发育成新的个体,说明已分化的体细胞的细胞核具有全能性。答案:(1)分裂和分化 基因选择性表达(遗传信息的执行情况不同)(2)有(一定的)流动性(3)细胞核具有全能性【拓展阅读】脐带血 脐带血是胎儿娩出、脐带结扎并离断后残留在胎盘和脐带中的血液,通常是废弃不用的。近十几年的研究发现,脐带血中含有可以重建人体造血和免疫系统的造血干细胞,可用于造血干细胞移植,治疗80多种疾病。因此,脐带血已成为造血干细胞的重要来源,特别是无血缘关系造血干细胞的来源,也是一种非常重要的人类生物资源。探究:(1)脐带血含有干细胞,请问脐带血中的干细胞有哪些用途?提示:可以重建人体造血和免疫系统的造血干细胞,可用于造血干细胞移植等。(2)查阅有关资料,了解人体存在的干细胞有哪些种类?提示:人体内干细胞的种类根据发育阶段,可分为胚胎干细胞、成体干细胞,成体干细胞包括造血干细胞、神经干细胞、皮肤表皮干细胞等。人体干细胞的种类根据其分化潜能,可分为全能干细胞,如胚胎干细胞;多能干细胞,如造血干细胞;专能干细胞,如神经干细胞。