1、植物细胞工程(30分钟100分)1.(8分)随着科学发展,现代生物技术已经广泛应用于社会生产的各个方面。请回答下列相关问题:(1)一般无性繁殖的植物感染病毒很容易传播给后代。病毒在植物体内逐年积累,就会导致作物产量降低。若想获得脱毒苗,可以切取植物的_附近的病毒极少甚至无病毒的组织细胞进行培养。脱毒草莓与四倍体草莓形态都大,在细胞水平上可通过观察_加以区别。 (2)在植物的组织培养过程中,由于培养细胞一直处于不断的_状态,容易受到培养条件和外界压力的影响而产生_。从这些个体中可以筛选出对人类有用的个体。 (3)在植物育种方面一定用到植物组织培养技术的有:_(至少答两种)。 (4)正常情况下白菜
2、与甘蓝不能通过有性杂交产生后代,但通过体细胞融合可以打破生殖隔离获得“白菜甘蓝”杂种植株,若“白菜甘蓝”杂种植株与白菜杂交无后代,与甘蓝杂交有后代。能否确定“白菜甘蓝”杂种植株与甘蓝不存在生殖隔离?_,为什么?_。 【解析】(1)脱毒苗的取材一般是分生区部位,如幼嫩的芽或茎,主要是这些部位病毒极少甚至无病毒。脱毒草莓是通过植物组织培养技术获得,为二倍体,四倍体草莓通过染色体变异获得,因此在细胞水平上可通过观察染色体数目加以区别。(2)在植物的组织培养过程中,由于培养细胞一直处于不断的分生状态,容易受到培养条件和外界压力的影响,在DNA复制的过程中发生突变,易获得突变体。(3)在植物育种方面一定
3、用到植物组织培养技术的有基因工程育种、单倍体育种、体细胞杂交育种等。(4)“白菜甘蓝”杂种植株与甘蓝杂交有后代,但是无法确定二者是否存在生殖隔离,因为不确定其后代是否可育。答案:(1)分生区染色体数目(2)分生突变(3)基因工程育种、单倍体育种、体细胞杂交育种(4)不能尽管有后代,但不能确定后代是否可育2.(8分)水稻是我国重要的粮食作物,植物组织培养技术在水稻育种和繁殖中有重要作用。请回答:(1)以水稻的花药作外植体,经脱分化后可形成愈伤组织。与外植体相比,愈伤组织细胞的特点是_。比较脱分化培养基和再分化培养基,二者的基本成分相同,但用于诱导细胞分化的_不完全相同。 (2)水稻的单倍体育种过
4、程包括_和_,与杂交育种相比,单倍体育种的优点是_。 (3)杂种优良水稻所结籽粒不宜作种子,故人们常用人工种子解决此类水稻的繁殖问题:以植物组织培养得到的_为材料,外面包上人工种皮。人工种皮的成分中除有机碳、无机盐外,还可添加_等物质,用以促进人工种子的生长发育、提高抵抗病菌的能力。与天然种子相比,人工种子的优点是_。 【解析】(1)愈伤组织是由外植体脱分化而来,由一团具有分裂能力的细胞组成,愈伤组织细胞的特点是分裂旺盛、高度液泡化的薄壁细胞。决定植物脱分化和再分化的关键因素是植物激素的种类和比例,由于植物激素的种类和比例不同,诱导分化的结果也不同。(2)水稻的单倍体育种过程包括花药的离体培养
5、和秋水仙素诱导染色体加倍。与杂交育种相比,单倍体育种的优点是明显缩短育种时间。(3)人工种子就是以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料,经过人工薄膜包装得到的种子。为促进人工种子的生长发育、提高抵抗病菌的能力,在人工种皮的成分中应添加植物生长调节剂(植物激素)等物质。与天然种子相比,人工种子的优点有保持亲本的优良性状,防止性状分离,克服季节、气候、地域的限制,大量快速生产,节约时间、土地等。答案:(1)细胞壁薄、具有分裂能力激素的种类和比例(2)花药的离体培养秋水仙素诱导染色体加倍明显缩短育种时间(3)胚状体(不定芽、顶芽和腋芽)植物生长调节剂(植物激素)保持亲本的优良性状、不
6、受季节限制、大量快速生产(其他合理答案也可)3.(12分)(2019全国卷)植物组织培养技术在科学研究和生产实践中得到了广泛的应用。回答下列问题。(1)植物微型繁殖是植物繁殖的一种途径。与常规的种子繁殖方法相比,这种微型繁殖技术的特点有_(答出2点即可)。(2)通过组织培养技术,可把植物组织细胞培养成胚状体,再通过人工种皮(人工薄膜)包装得到人工种子(如图所示),这种人工种子在适宜条件下可萌发生长。人工种皮具备透气性的作用是_。人工胚乳能够为胚状体生长提供所需的物质,因此应含有植物激素、_和_等几类物质。(3)用脱毒苗进行繁殖,可以减少作物感染病毒。为了获得脱毒苗,可以选取植物的_进行组织培养
7、。(4)植物组织培养技术可与基因工程技术相结合获得转基因植株。将含有目的基因的细胞培养成一个完整植株的基本程序是_(用流程图表示)。【解析】本题考查植物组织培养技术的流程、植物微型繁殖技术的特点、人工种子的培育、脱毒苗的培育。(1)植物微型繁殖属于无性繁殖技术,能够保持植物原有的遗传特性,同时该技术还可以高效快速地实现种苗的大量繁殖,因此也叫快速繁殖技术。(2)人工种皮具备透气性,有利于胚状体进行呼吸作用。人工胚乳能够为胚状体生长提供营养物质,应含有植物激素、矿质元素和糖等物质。(3)植物分生区附近(如茎尖)的病毒极少,甚至无病毒,因此,切取一定大小的茎尖进行组织培养,再生的植株就有可能不带病
8、毒,从而获得脱毒苗。(4)将含目的基因的细胞培养成一个完整植株,需要将细胞培养到愈伤组织,然后再经诱导分化使其生长成为完整的小植株。答案:(1)能保持植物原有的遗传特性,繁殖速度快(2)有利于胚状体进行呼吸作用矿质元素糖(3)茎尖(4)含目的基因的细胞愈伤组织小植株4.(12分)(2018海南高考改编)甜蛋白是一种高甜度的特殊蛋白质。为了改善黄瓜的品质,科学家采用农杆菌转化法将一种甜蛋白基因成功导入黄瓜细胞,得到了转基因植株。回答下列问题:(1)用农杆菌感染时,应优先选用黄瓜_(填“受伤的”或“完好的”)叶片与含重组质粒的农杆菌共同培养,选用这种叶片的理由是_。(2)若在转基因黄瓜中检测到这种
9、甜蛋白,则表明该重组质粒中_已转移到植物细胞中且能够表达;用该转基因黄瓜的某一植株与一株非转基因植株杂交,发现子代中含甜蛋白个体数与不含甜蛋白个体数之比为11,则说明甜蛋白基因已经整合到_(填“核基因组”“线粒体基因组”或“叶绿体基因组”)中。(3)通常,基因工程操作主要有4个步骤,即目的基因获取、重组表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。因此,基因工程的含义可概括为_。【解析】(1)受伤的双子叶植物如黄瓜叶片能分泌大量的酚类物质,吸引农杆菌向伤口处转移。(2)普通黄瓜原来没有甜蛋白,如果在转基因黄瓜中检测到甜蛋白,说明甜蛋白基因已经转移到黄瓜细胞内,并且得到表达。若甜
10、蛋白基因整合到核基因组中,由于黄瓜为二倍体植物,其基因型可看作Aa(不含甜蛋白基因看作a),与普通黄瓜(aa)杂交,后代性状分离比为11;若甜蛋白基因整合到线粒体或叶绿体基因组中,其遗传具有母系遗传的特点,要么后代全有此性状(转基因黄瓜作母本)要么后代都没有此性状(转基因黄瓜作父本)。(3)基因工程的含义是利用体外重组技术或转基因技术,将一生物的特定基因转移到另一种生物的基因组中,使后者体现出新的遗传特性,从而创造出新的生物类型和生物产品。答案:(1)受伤的叶片伤口处的细胞释放出大量酚类物质,可吸引农杆菌移向这些细胞(2)甜蛋白基因核基因组(3)按照人们的愿望进行设计,并通过体外重组和转基因等
11、技术,赋予生物新的遗传特性,创造出符合人们需要的新生物类型5.(14分)为培育出含-胡萝卜素的“黄金大米”,科研人员提出以下两套培育方案。请分析回答下列问题:甲方案:乙方案:(1)甲方案中,-胡萝卜素基因能在玉米和水稻体内出现相同表达结果的原因是_。若研究人员已知-胡萝卜素基因序列,可采用_方法获得-胡萝卜素基因。过程中可用_技术检测水稻体细胞DNA上是否插入了-胡萝卜素基因。(2)乙方案中,在体细胞杂交前需要用酶除去细胞壁获得原生质体,诱导体细胞融合的化学试剂常用_。通过获得“黄金大米”幼苗需要经过_两个过程,依据的原理是_。(3)与传统育种方法相比,甲、乙两套方案共同的优点是_。【解析】(
12、1)自然界中所有生物共用一套遗传密码子,因此一种生物的基因能在另一种生物体内表达;在目的基因序列已知的情况下,可采用人工合成的方法获得目的基因。检测目的基因是否插入受体细胞可用DNA分子杂交技术。(2)诱导植物原生质体融合常用的化学试剂是聚乙二醇。植物组织培养过程中将杂交细胞培育成杂交植株需要采用植物激素,该技术包括脱分化和再分化两个过程,原理是植物细胞的全能性。(3)与传统育种方法相比,基因工程育种和植物细胞工程育种都能克服远缘杂交不亲和的障碍。答案:(1)所有生物共用一套遗传密码(密码子)人工合成DNA分子杂交(2)聚乙二醇 脱分化和再分化 (植物)细胞的全能性(3)克服远缘杂交不亲和的障
13、碍(打破生殖隔离)6.(16分)(2020银川模拟)紫草素是紫草细胞的代谢产物,可作为生产治疗烫伤药物的原料。研究人员通过培养紫草细胞生产紫草素。为了获取紫草素,某制药公司利用植物组织培养技术,从培养的愈伤组织中提取这种有效成分。请回答下列问题:(1)培养时,通常选择新生的芽作为外植体,这是因为_。将离体的芽培养在人工配制的培养基上,给予适宜的培养条件,诱导其依次产生_、_,最终形成完整的植株。(2)假设紫草与另一种植物A均为二倍体药用植物(紫草细胞中有2n条染色体,A植物细胞中有2m条染色体)。某药物研究所拟利用植物体细胞杂交技术培育同时含有两种有效成分的新型药用植物。为了得到原生质体需用_
14、酶和_酶去除两植物细胞的细胞壁,然后诱导其融合形成杂种细胞。(3)融合形成的杂种细胞在有丝分裂后期含有_条染色体。杂种细胞培育成的新型药用植物为_倍体,在这个过程中所利用的生物学原理是_。【解析】(1)植物组织培养技术的原理是植物细胞的全能性,培养时选择新生的芽作为外植体,是因为新生芽的分化程度低、全能性高,在培养过程中容易诱导其脱分化形成愈伤组织;植物组织培养的过程:将离体的芽培养在人工配制的培养基上,给予适宜的培养条件,诱导其脱分化产生愈伤组织,再分化形成胚状体或丛芽,最终继续分裂和分化形成完整个体。(2)在植物体细胞杂交过程中,需要用纤维素酶和果胶酶处理植物的细胞壁,获得原生质体,然后诱
15、导再生出新的细胞壁,形成杂种细胞。(3)根据题意,紫草细胞中有2n条染色体,A植物细胞中有2m条染色体,融合后的细胞中具有二者所有的染色体,因此染色体数目为2n+2m,则有丝分裂后期染色体数目加倍为4(n+m)。杂种细胞发育成的药用植物融合了二者的染色体组,二者为不同的物种,故杂种细胞培育成的新型药用植物为四倍体,将杂种细胞培养成个体利用了植物细胞的全能性。答案:(1)新生芽细胞分化程度低,容易诱导其脱分化愈伤组织胚状体或丛芽(2)纤维素果胶(3)4(n+m)四植物细胞具有全能性1.(15分)(2020钦州模拟)红豆杉因其次生代谢产物紫杉醇的显著治癌效果而备受关注。为了获得紫杉醇,可以先用植物
16、外植体获得愈伤组织,然后在生物反应器中悬浮培养。请回答下列问题:(1)以该植物的幼茎、树皮、针叶作为外植体,在一定条件下进行组织培养,均能获得试管苗,其原理是_。研究发现用幼嫩茎段比成年老枝更易产生愈伤组织,且时间早,诱导率高,原因是幼嫩茎段细胞分化程度较_。(2)可采用_(部位)进行植物组织培养获得脱除病毒的红豆杉。与从红豆杉树皮中直接提取相比,通过茎段组培获得的愈伤细胞悬浮培养生产紫杉醇的优点是_。(3)二倍体愈伤组织细胞经_处理,会产生染色体加倍的细胞。(4)不同有机溶剂及其组合作为浸提溶剂对紫杉醇得率的影响如图所示。不同溶剂对紫杉醇得率的影响注:1-甲醇;2-乙醇;3-丙酮;4-二氯甲
17、烷;5-乙酸乙酯;6-甲醇-乙醇;7-甲醇-丙酮;8-甲醇-二氯甲烷;9-甲醇-乙酸乙酯;10-乙醇-丙酮;11-乙醇-二氯甲烷;12-乙醇-乙酸乙酯;13-丙酮-二氯甲烷;14-丙酮-乙酸乙酯;15-二氯甲烷-乙酸乙酯从溶剂单独和混合提取效果的角度分析,可得出的结论有:单一溶剂作为提取紫杉醇的浸提溶剂时,_的提取效果最佳;溶剂混合浸提时,_作为浸提溶剂提取紫杉醇效果最好。【解析】(1)以该植物的幼茎、树皮、针叶作为外植体,在一定条件下进行组织培养,均能获得试管苗,用到的技术为植物组织培养,其原理是幼茎、树皮、针叶的细胞都具有全能性,在一定条件下能发育成完整的植株。研究发现用幼嫩茎段比成年老枝
18、更易产生愈伤组织,且时间早,诱导率高,原因是幼嫩茎段细胞分化程度较低。(2)可采用茎尖(部位)进行植物组织培养获得脱除病毒的红豆杉。与从红豆杉树皮中直接提取相比,通过茎段组培获得的愈伤细胞悬浮培养生产紫杉醇的优点是可以在生物反应器中大规模培养细胞,并且通过控制培养条件使培养细胞合成大量紫杉醇。 (3)二倍体愈伤组织细胞经秋水仙素(或低温)处理,抑制前期纺锤体的形成,会产生染色体加倍的细胞。(4)分析图15组,可知单一溶剂作为提取紫杉醇的浸提溶剂时,甲醇的提取效果最佳;分析图615组,溶剂混合浸提时,乙醇二氯甲烷作为浸提溶剂提取紫杉醇效果最好。答案:(1)幼茎、树皮、针叶的细胞都具有全能性,在一
19、定条件下能发育成完整的植株低(2)茎尖可以在生物反应器中大规模培养细胞,并且通过控制培养条件使培养细胞合成大量紫杉醇(3)秋水仙素(或低温)(4)甲醇乙醇-二氯甲烷2.(15分)DHA对脑神经发育至关重要。以A、B两种单细胞真核藻为亲本,利用细胞融合技术选育高产DHA融合藻。两种藻特性如下表。据表回答:(1)选育的融合藻应具有A藻_与B藻_的优点。(2)诱导融合前需用纤维素酶处理两种藻,其目的是获得_。(3)通过以下三步筛选融合藻,步骤_可淘汰B藻,步骤_可淘汰生长速率较慢的藻落,再通过步骤_获取生产所需的融合藻。步骤a:观察藻落的大小步骤b:用不含有机碳源(碳源生物生长的碳素来源)的培养基进
20、行光照培养步骤c:测定DHA含量(4)以获得的融合藻为材料进行甲、乙、丙三组实验,结果如图。甲组条件下,融合藻产生H的细胞器是_;丙组条件下产生ATP的细胞器是_。与甲、丙两组相比,乙组融合藻生长速率较快,原因是在该培养条件下_。甲、乙两组DHA产量均较高,但实际生产中往往采用甲组的培养条件,其原因是_。【解析】(1)A藻的优点是产生DHA和自养特性(不需要添加有机物可降低成本),B藻的优点是快速生长。(2)纤维素酶可破坏细胞壁获得原生质体。(3)B藻是异养生物,使用不含有机碳源的培养基进行光照既可将其淘汰;观察菌落大小,可淘汰A藻;再通过测定DHA含量可获取生产所需的融合藻。(4)甲组条件下,融合藻既可进行光合作用,又可进行细胞呼吸,故产生H的细胞器是叶绿体和线粒体;丙组条件下融合藻仅进行细胞呼吸,故产生ATP的细胞器是线粒体。乙组培养基上有葡萄糖,可异养,又有光照,可自养,故比甲、丙组生长速率快;甲组是光能自养,不需要添加葡萄糖,能降低成本,也可防止其他杂菌生长,所以常用于实际生产中。答案:(1)产生DHA、自养特性快速生长(2)原生质体(3)bac(4)线粒体、叶绿体线粒体融合藻既能光能自养又能异养融合藻利用光能和简单的无机物即能生长,不需要添加葡萄糖,可降低成本,也可防止杂菌生长