1、专题 3、6 生物技术在其他方面的应用知识结构网络 基础知识整合 一、植物组织培养的基本过程1.原理(1)植物细胞全能性的概念:高度分化的植物细胞,仍然具有发育成完整植株的潜能。(2)高度分化的植物细胞全能性表达的条件离体条件;无菌操作(防止杂菌污染);适宜物质的诱导和调节(激素主要是生长素、细胞分裂素等);种类齐全、比例合适的营养物质;温度、酸碱度、光照等条件的控制。基础知识整合 2.基本过程离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织试管苗完整的植物体(外植体)基础知识整合 3.影响植物组织培养的因素(1)材料:植物的种类、材料的年龄和保存时间的长短等都会影响实验结果。一般来说,容易进行无性繁殖的植
2、物容易进行组织培养。嫩枝生理状态好,容易诱导脱分化和再分化。(2)营养:常用的培养基是 MS 培养基,其中含有的大量元素是 N、P、S、K、Ca、Mg,微量元素是 Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl、Ni、I、Co,有机物有甘氨酸、烟酸、肌醇、维生素、蔗糖等。(3)激素:在培养基中需要添加生长素和细胞分裂素等植物激素,其浓度、使用的先后顺序、用量的比例等都影响结果。激素使用的先后顺序及其用量比例对细胞分裂和分化的影响如下表:基础知识整合 使用顺序实验结果先生长素,后细胞分裂素有利于分裂但不分化先细胞分裂素,后生长素细胞既分裂也分化同时使用分化频率提高 生长素/细胞分裂素比值与结果比值高时促
3、根形成,抑芽分化比值低时促芽分化,抑根形成比值适中促进愈伤组织生长(4)环境条件:pH、温度、光等环境条件。如菊花组织培养所需 pH 为 5.8,温度为 1822,光照条件为每日用日光灯照射 12 小时。基础知识整合 操作过程中实现无菌环境的措施(1)培养基的灭菌(高压蒸汽灭菌);(2)外植体的消毒(酒精、氯化汞);(3)接种的无菌操作(酒精,酒精灯灼烧);(4)无菌箱中培养;(5)移栽到消过毒的环境中生存一段时间。基础知识整合 辣椒素作为一种生物碱广泛用于食品保健、医药工业等领域。辣椒素的获得途径如图。(1)图中和分别表示辣椒组织培养中细胞的 和 过程。(2)图中培养外植体的培养基中常用的凝
4、固剂是 。培养基中的生长素和细胞分裂素用量的比值 (填“高”或“低”)时,有利于芽的分化。对培养基彻底灭菌时,应采取的灭菌方法是 。(3)图中外植体的消毒所需酒精的体积分数是 。用酶解法将愈伤组织分离成单细胞时,常用的酶是 和纤维素酶。(4)提取辣椒素过程中,萃取加热时需安装冷凝回流装置,其目的是 。基础知识整合 解析:(1)将外植体培养成愈伤组织,属于脱分化过程,再生根、芽为再分化过程。(2)固体培养基的凝固剂多为琼脂。细胞分裂素浓度生长素浓度时,诱导芽生成,细胞分裂素浓度生长素浓度时,诱导根生成,细胞分裂素浓度=生长素浓度时,愈伤组织继续生长而不分化。高压蒸汽灭菌可以杀死环境中的一切细胞、
5、芽孢和孢子。(3)体积分数为 70%的酒精可以杀死外植体表面的微生物。植物细胞间质为果胶和纤维素,可以用果胶酶和纤维素酶使愈伤组织分散为单个细胞。(4)安装冷凝回流装置可以防止有机溶剂的挥发。基础知识整合 答案:(1)脱分化(或去分化)再分化(2)琼脂 低 高压蒸汽灭菌(3)70%果胶酶(4)防止有机溶剂的挥发基础知识整合 二、菊花的组织培养和月季的花药培养比较1.相同点(1)理论基础:植物细胞的全能性。(2)基本过程:脱分化再分化试管苗。(3)影响因素:营养、激素、pH、温度、光照等。基础知识整合 2.不同点 菊花的组织培养月季的花药培养材料选取未开花植株的茎上部新萌生的侧枝通常选择完全未开
6、放的花蕾光照状况每日用日光灯照 12 h开始不需光照,幼小植株形成后才需光照操作流程制备培养基外植体消毒接种培养移栽栽培选材材料消毒接种和培养筛选和诱导移栽栽培选育结果正常植株单倍体植株 基础知识整合 3.注意事项(1)材料的选取:菊花的组织培养实验中,应选择未开花植株的茎上部新萌生的侧枝,该部分不仅分生能力强,而且无病毒侵染。月季花药的培养实验中,应选择花粉发育过程中的单核靠边期的花药进行培养,且在花蕾期,因为此时质地幼嫩,花瓣未开,微生物不易侵入,容易消毒。(2)剥离花药时,尽量不要损伤花药,同时还要彻底去除花丝,防止对实验产生干扰。(3)外植体消毒:所用消毒剂是体积分数为70%的酒精和质
7、量分数为 0.1%的氯化汞溶液,所使用的清洗液是无菌水。(4)培养过程:在初期,菊花的组织培养需光照,月季的花药培养不需光照,而在后期均需光照。基础知识整合 如图是月季花药离体培养产生花粉植株的两种途径,请据图回答有关问题。基础知识整合(1)选用的材料合适与否是成功诱导出花粉植株的重要因素,一般来说选用 期的花粉可提高成功率。选择花粉时,一般要通过 来确定花粉是否处于合适的发育期,这时需要对花粉的细胞核进行染色,常用的染色剂是 。(2)胚状体与愈伤组织在结构上的主要区别在于愈伤组织的细胞排列疏松无规则,是一种高度 的薄壁细胞。胚状体与 发育形成的胚有类似的结构,即具有胚芽、胚轴和胚根。(3)无
8、菌技术也是成功诱导出花粉植株的重要因素,请说明下列各项需要消毒,还是需要灭菌。需要灭菌:,需要消毒:。(填编号)培养基,培养皿,接种环,花蕾,实验操作者的双手,三角锥形瓶。基础知识整合 解析:(1)并不是任何时期的花粉都可以培养产生愈伤组织或胚状体,只有花粉发育到一定时期对离体的刺激才最敏感。对大多数植物而言,单核中期至晚期的花粉最容易形成花粉胚或花粉愈伤组织。在培养花药之前,通常用醋酸洋红法制片镜检以确定花粉发育的时期。(2)花药培养产生花粉植株一般有两种途径:花药中的花粉通过胚状体阶段发育为小植株;花药中花粉在诱导培养基上先形成愈伤组织,再诱导其分化成植株。两种途径并无绝对界限,主要取决于
9、培养基中的激素种类及其浓度配比。(3)灭菌是用理化方法杀死环境中所有的微生物细胞、芽孢和孢子。消毒是杀死物体表面的病原微生物。在微生物培养过程中通常对培养基、培养皿、接种环、三角锥形瓶进行灭菌处理;对花蕾、实验操作者的双手进行消毒处理。基础知识整合 答案:(1)单核 镜检(显微镜观察)醋酸洋红(2)液泡化 正常受精卵(或受精卵)(3)基础知识整合 三、从生物组织中提取某些特定的成分1.植物芳香油的提取(1)植物芳香油的主要化学成分:萜类化合物及其衍生物,具有很强的挥发性。提取方法有蒸馏、压榨和萃取等。(2)提取玫瑰精油方法:水蒸气蒸馏法。实验流程:鲜玫瑰花水蒸气蒸馏油水混合物分离油层除水玫瑰精
10、油基础知识整合(3)提取橘皮精油方法:一般用压榨法。实验流程:石灰水浸泡漂洗压榨过滤静置再次过滤橘皮精油。2.胡萝卜素的提取(1)胡萝卜素性质:不溶于水,微溶于乙醇,易溶于石油醚等有机溶剂。(2)实验设计方法:萃取法,石油醚最适宜作萃取剂。实验流程:胡萝卜粉碎干燥萃取过滤浓缩胡萝卜素。(3)鉴定方法:纸层析法。基础知识整合(1)根据蒸馏过程中原料放置的位置不同,将水蒸气蒸馏法划分为水中蒸馏、水上蒸馏和水气蒸馏。(2)水中蒸馏法不适用于柑橘和柠檬等原料,这是因为水中蒸馏会导致原料焦糊和有效成分水解等问题。基础知识整合 下列是与芳香油提取相关的问题,请回答:(1)玫瑰精油适合用水蒸气蒸馏法提取,其
11、理由是玫瑰精油具有的性质。蒸馏时收集的蒸馏液(填“是”或“不是”)纯的玫瑰精油,原因是。(2)当蒸馏瓶中的水和原料量一定时,蒸馏过程中,影响精油提取量的主要因素有蒸馏时间和。当原料量等其他条件一定时,提取量随蒸馏时间的变化趋势是。(3)如果蒸馏过程中不进行冷却,则精油提取量会,原因是。(4)密封不严的瓶装玫瑰精油保存时最好存放在温度的地方,目的是。基础知识整合(5)某植物花中精油的相对含量随花的不同生长发育时期的变化趋势如图所示。提取精油时采摘花的最合适时间为天左右。(6)从薄荷叶中提取薄荷精油时(填“能”或“不能”)采用从玫瑰花中提取玫瑰精油的方法,理由是。基础知识整合 解析:(1)玫瑰精油
12、属于芳香类化合物,具有芳香类化合物的通性,即易挥发、难溶于水、化学性质稳定等性质。(2)当蒸馏瓶中的水和原料量一定时,在蒸馏过程中,影响精油提取量的主要因素有蒸馏时间和温度;当原料量等其他条件一定时,提取量随蒸馏时间的变化趋势是一定时间内随蒸馏时间的延长而增加,一定时间后蒸馏量不再增加。(3)蒸馏时玫瑰精油随水蒸气一起蒸馏出来,如果不进行冷却,部分精油会随水蒸气蒸发而流失。(4)玫瑰精油易挥发,应保存在温度较低的地方。(5)根据图示可以确定提取精油时采摘花的最合适时间为 a 天左右,此时精油含量最高。(6)薄荷精油与玫瑰精油化学性质相似,同样可以采用水蒸气蒸馏法提取。基础知识整合 答案:(1)
13、易挥发、难溶于水、化学性质稳定 不是 蒸馏时玫瑰精油随水蒸气一起蒸馏出来,得到的是油水混合物(2)温度 一定时间内随蒸馏时间的延长而增加,一定时间后蒸馏量不再增加(3)下降 部分精油会随水蒸气挥发而流失(4)较低 减少挥发(5)a(6)能 薄荷精油与玫瑰精油的化学性质相似速效提升训练 1.为了探究 6 BA和IAA对某菊花品种茎尖外植体再生丛芽的影响,某研究小组在 MS培养基中加入 6 BA和 IAA,配制成四种培养基(见下表),灭菌后分别接种数量相同、生长状态一致、消毒后的茎尖外植体,在适宜条件下培养一段时间后,统计再生丛芽外植体的比率(m),以及再生丛芽外植体上的丛芽平均数(n),结果如下
14、表。培养基编号浓度/mgL-1m/%n/个6 BAIAA10.5076.73.120.177.46.130.266.75.340.560.05.0速效提升训练 回答下列问题:(1)按照植物的需求量,培养基中无机盐的元素可分为和两类。上述培养基中,6-BA属于类生长调节剂。(2)在该实验中,自变量是,因变量是,自变量的取值范围是。(3)从实验结果可知,诱导丛芽总数最少的培养基是号培养基。(4)为了诱导该菊花试管苗生根,培养基中一般不加入(填“6-BA”或“IAA”)。速效提升训练 解析:(1)根据植物的需求量,培养基中的元素分为大量元素和微量元素,6-BA 属于细胞分裂素类植物生长调节剂。(2)
15、实验中的自变量是 IAA 的浓度,因变量是再生丛芽外植体的比率(m)和再生丛芽外植体上的丛芽平均数(n)。自变量的取值范围在 00.5 mgL-1之间。(3)诱导丛芽的总数量为m 与 n 的乘积,所以 1 号培养基诱导丛芽总数最少。(4)6-BA 属于细胞分裂素类生长调节剂,有利于芽的分化,抑制根的形成。速效提升训练 答案:(1)大量元素微量元素细胞分裂素(2)IAA 浓度再生丛芽外植体的比率(m)和再生丛芽外植体上的丛芽平均数(n)00.5 mgL-1(3)1(4)6-BA速效提升训练 2.(2015全国新课标卷)回答与胡萝卜素有关的问题：(1)胡萝卜含有的胡萝卜素中，最主要的是 (填“胡萝
16、卜素”、“胡萝卜素”或“胡萝卜素”)，该胡萝卜素在人体内可以转变成两分子 ，后者缺乏会引起人在弱光下视物不清的病症，该疾病称为 ，胡萝卜素是 (填“挥发性”或“非挥发性”)物质。(2)工业生产上，用养殖的岩藻作为原料提取胡萝卜素时，(填“需要”或“不需要”)将新鲜的岩藻干燥。(3)现有乙醇和乙酸乙酯两种溶剂，应选用其中的 作为胡萝卜素的萃取剂，不选用另外一种的理由是 。速效提升训练 解析：(1)胡萝卜素的化学分子式中包含多个碳碳双键，根据双键的数目可以将胡萝卜素划分为、三类，|胡萝卜素是其中最主要的组成成分。一分子的-胡萝卜素在人或动物的小肠、肝脏等器官被氧化成两分子的维生素A。缺乏维生素A可
17、引起夜盲症。胡萝卜素的化学性质比较稳定，是非挥发性物质。(2)萃取的效率主要取决于萃取剂的性质和使用量，同时还受到原料颗粒的大小、紧密程度、含水量、萃取的温度和时间等条件的影响。因此，萃取前，要对原料进行粉碎和干燥。(3)萃取胡萝卜素的有机溶剂应该具有较高的沸点，能够充分溶解胡萝卜素，并且不与水混溶。乙醇是水溶性有机溶剂，所以应选用乙酸乙酯作为胡萝卜素的萃取剂。答案：(1)-胡萝卜素 维生素A 夜盲症 非挥发性（2）需要(3)乙酸乙酯 萃取胡萝卜素的有机溶剂应不与水混溶，而乙醇为水溶性有机溶剂 速效提升训练 3.(2015江苏卷)人工瘤胃模仿了牛羊等反刍动物的胃,可用来发酵处理秸秆,提高秸秆的
18、营养价值。为了增强发酵效果,研究人员从牛胃中筛选纤维素酶高产菌株,并对其降解纤维素能力进行了研究。请回答下列问题:(1)在样品稀释和涂布平板步骤中,下列选项不需要的是 (填序号)。酒精灯 培养皿 显微镜 无菌水(2)在涂布平板时,滴加到培养基表面的菌悬液量不宜过多的原因是 。(3)向试管内分装含琼脂的培养基时,若试管口粘附有培养基,需要用酒精棉球擦净的原因是 。速效提升训练(4)刚果红可以与纤维素形成红色复合物,但并不与纤维素降解产物纤维二糖和葡萄糖发生这种反应。研究人员在刚果红培养基平板上,筛到了几株有透明降解圈的菌落(如图)。图中降解圈大小与纤维素酶的 有关。图中降解纤维素能力最强的菌株是
19、 (填图中序号)。速效提升训练(5)研究人员用筛选到的纤维素酶高产菌株J1和J4,在不同温度和pH条件下进行发酵，测得发酵液中酶活性的结果见下图,推测菌株 更适合用于人工瘤胃发酵,理由是 。速效提升训练 解析：(1)样品稀释需要无菌水，在酒精灯附近操作，涂布平板需要培养皿，在酒精灯附近操作，两者都不需要显微镜。(2)涂布平板时只能取少量菌悬液滴加到培养基表面，菌悬液量过多会导致菌体堆积，影响分离效果。(3)分装培养基时，试管口若粘附有培养基，则需用酒精棉球擦净，以免污染棉塞。(4)接种微生物培养过程中，纤维素被纤维素酶分解后，刚果红纤维素红色复合物无法形成，出现以纤维素分解菌为中心的透明圈(降
20、解圈)，降解圈越大，说明纤维素酶的量越多，活性越强。(5)在较高温度条件下J4菌种的纤维素酶活性较高，且J4菌种在较低pH条件下纤维素酶活性较高。发酵过程中，人工瘤胃中的温度升高、pH下降，故J4菌种更适合用于人工瘤胃发酵。答案：(1)(2)培养基表面的菌悬液会出现积液，导致菌体堆积，影响分离效果(3)避免培养基污染棉塞(4)量与活性 (5)J4 发酵过程会产热和产酸，J4菌株在较高温度和酸性环境下酶的活性更高 4.(2014山东卷)玉米是重要的粮食作物，经深加工可生产酒精、玉米胚芽油和果糖等。流程如下：(1)玉米秸秆中的纤维素经充分水解后的产物可被酵母菌利用发酵生产酒精。培养酵母菌时，该水解
21、产物为酵母菌的生长提供。发酵过程中检测酵母菌数量可采用法或稀释涂布平板法计数。(2)玉米胚芽油不易挥发，宜选用法或法从玉米胚芽中提取。(3)玉米淀粉经酶解形成的葡萄糖可在葡萄糖异构酶的作用下转化成果糖。利用技术可使葡萄糖异构酶重复利用，从而降低生产成本。(4)利用PCR 技术扩增葡萄糖异构酶基因时，需用耐高温的催化。PCR 一般要经历三十次以上的循环，每次循环包括变性、和三步。解析：(1)培养酵母菌时，玉米秸秆中的纤维素的水解产物为酵母菌的生长提供碳源。检测酵母菌数量可采用显微镜直接计数法或稀释涂布平板法计数。(2)玉米胚芽油不易挥发，宜选用压榨法或萃取法从玉米胚芽中提取。(3)利用固定化酶技
22、术可使葡萄糖异构酶重复利用，从而降低生产成本。(4)利用PCR 技术扩增葡萄糖异构酶基因时，需用耐高温的(Taq)DNA 聚合酶催化。PCR 一般要经历三十次以上的循环，每次循环包括变性、(低温)复性(或退火)；(中温)延伸三步。答案：(1)碳源显微镜直接计数(2)压榨萃取(注：两空可颠倒)(3)固定化酶(4)(Taq)DNA 聚合酶(低温)复性(或退火)(中温)延伸5.请回答薰衣草精油提取过程中的有关问题：(1)薰衣草精油化学性质稳定，难溶于，易溶于。除可用蒸馏法外，还可用法提取。(2)蒸馏形成的油水混合物需要加入NaCl，目的是；加入无水Na2SO4，目的是。(3)探究花瓣浸泡时间对出油率
23、的影响，如果设置五组实验，时间间隔为 2小时，浸泡时间分别为小时。(4)羽叶薰衣草较其他品种耐热，可利用其幼苗的茎切段通过脱分化和形成具根和芽的幼苗，该技术称为，依据的原理是。解析：(1)薰衣草精油化学性质稳定，难溶于水，易溶于有机溶剂，因此可用蒸馏法，也可以采用萃取法提取。(2)蒸馏形成的油水混合物需要加入 NaCl 的目的是让溶液分层，加入无水Na2SO4 的目的是除去溶液中的水分。(3)由于时间间隔为 2 小时，则浸泡时间可以设置为 0、2、4、6、8 小时。(4)植物组织培养的过程有脱分化和再分化，依据的原理是植物细胞的全能性。答案：(1)水有机溶剂萃取(2)分离油层除水(3)0、2、
24、4、6、8(4)再分化植物组织培养植物细胞的全能性6.右图为胡萝卜素的提取装置示意图，回答有关问题：(1)胡萝卜素提取的效率主要取决于。(2)在石油醚、醋酸乙酯、乙醚、苯和四氯化碳这五种有机溶剂中，最适宜用于萃取胡萝卜素的是，这是因为。(3)在 1 处安装回流冷凝装置的目的是。(4)在胡萝卜素的萃取过程中，萃取过程的加热方式一般应采用水浴加热，避免明火加热，这是因为。得到的萃取液经过过滤后直接使用装置进行浓缩。解析：胡萝卜素易溶于有机溶剂，所以选用萃取的方法。萃取的效率与原料和萃取剂有密切关系，但主要取决于萃取剂的性质和使用量，其次还受到原料颗粒的大小、紧密程度、含水量、萃取的温度和时间等条件的影响；萃取剂是有机溶剂，具有加热易燃、易挥发的特点，所以萃取装置的设置要特别注意；萃取剂的选择要注意以下特点：较高的沸点、能够充分溶解萃取物等；提取过程中一般避免明火加热，而采用水浴加热，这是因为有机溶剂都是易燃物，直接使用明火加热容易引起燃烧、爆炸。答案：(1)萃取剂的性质和使用量(2)石油醚石油醚的沸点高，在加热萃取时不易挥发(3)为了防止加热时有机溶剂挥发(4)有机溶剂都是易燃物，直接使用明火加热容易引起燃烧、爆炸蒸馏