第課時植物細胞工程1.闡明植物組織培養(yǎng)是在一定條件下，將離體植物器官、組織和細胞在適宜的培養(yǎng)條件下誘導(dǎo)形成愈傷組織，并重新分化，最終形成完整植株的過程。2.概述植物體細胞雜交是將不同植物體細胞在一定條件下融合成雜合細胞，繼而培育成新植物體的技術(shù)。3.舉例說明植物細胞工程利用快速繁殖、脫毒、次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)、育種等方式有效提高了生產(chǎn)效率。4.菊花的組織培養(yǎng)。一細胞工程的概念1．原理和方法：應(yīng)用細胞生物學(xué)、分子生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)等多學(xué)科的原理和方法。2．操作水平：eq\x(\s\up1(01))細胞器、細胞或組織水平。3．目的：獲得特定的細胞、組織、器官、個體或其產(chǎn)品。4．分類：根據(jù)操作對象的不同，分為eq\x(\s\up1(02))植物細胞工程和動物細胞工程。二細胞的全能性1．含義：細胞經(jīng)分裂和分化后，仍然具有eq\x(\s\up1(01))產(chǎn)生完整生物體或分化成其他各種細胞的潛能。2．原因：生物體的每個細胞中都含有發(fā)育成完整個體所需的全套基因。3．不是所有細胞都表現(xiàn)全能性的原因：在特定的時間和空間條件下，細胞中的基因會eq\x(\s\up1(02))選擇性地表達。三植物組織培養(yǎng)技術(shù)1．概念：指將eq\x(\s\up1(01))離體的植物器官、組織或細胞等，培養(yǎng)在eq\x(\s\up1(02))人工配制的培養(yǎng)基上，給予適宜的培養(yǎng)條件，誘導(dǎo)其形成eq\x(\s\up1(03))完整植株的技術(shù)。2．原理：eq\x(\s\up1(04))植物細胞的全能性。3．條件：處于eq\x(\s\up1(05))離體狀態(tài)；提供一定的eq\x(\s\up1(06))營養(yǎng)、激素和其他適宜的外界條件。4．基本過程5．實驗：菊花的組織培養(yǎng)(1)實驗原理①植物細胞一般具有eq\x(\s\up1(12))全能性。②外植體eq\o(→,\s\up7(脫分化,一定激素和營養(yǎng)等條件))愈傷組織eq\o(→,\s\up7(再分化,含特定激素的培養(yǎng)基))芽、根等器官③植物激素中eq\x(\s\up1(13))生長素和細胞分裂素是啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關(guān)鍵激素，它們的eq\x(\s\up1(14))濃度、比例等都會影響植物細胞的發(fā)育方向。(2)操作步驟——菊花的組織培養(yǎng)取材、消毒①用酒精擦拭雙手和超凈工作臺臺面；②外植體的消毒外植體→eq\x(\s\up1(15))流水沖洗→eq\x(\s\up1(16))酒精消毒30s→eq\x(\s\up1(17))無菌水清洗2～3次→eq\x(\s\up1(18))次氯酸鈉溶液處理30min→無菌水清洗2～3次③將消過毒的外植體置于無菌的培養(yǎng)皿中，用無菌濾紙吸去表面的水分接種將外植體切成eq\x(\s\up1(19))0.5～1__cm長的小段↓將外植體的eq\x(\s\up1(20))1/3～1/2插入誘導(dǎo)eq\x(\s\up1(21))愈傷組織的培養(yǎng)基中↓用eq\x(\s\up1(22))封口膜或瓶蓋封蓋瓶口，并做好標記培養(yǎng)置于eq\x(\s\up1(23))18～22℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)→15～20d后，將生長良好的愈傷組織轉(zhuǎn)接到誘導(dǎo)eq\x(\s\up1(24))生芽的培養(yǎng)基上→長出芽后，再轉(zhuǎn)接到誘導(dǎo)eq\x(\s\up1(25))生根的培養(yǎng)基上，進一步誘導(dǎo)形成試管苗移栽移栽前先打開封口膜或瓶蓋，讓試管苗在培養(yǎng)箱內(nèi)生長幾日，用流水清洗掉根部的eq\x(\s\up1(26))培養(yǎng)基后，將試管苗移植到eq\x(\s\up1(27))消過毒的蛭石或珍珠巖等環(huán)境中，待其長壯后再移栽入土栽培將幼苗移栽后，每天觀察并記錄幼苗的eq\x(\s\up1(28))生長情況，適時澆水、施肥，直至開花(3)注意事項①實驗中使用的培養(yǎng)基和所有的器械都要eq\x(\s\up1(29))滅菌。接種操作必須在eq\x(\s\up1(30))酒精燈火焰旁進行，并且每次使用后的器械都要eq\x(\s\up1(31))滅菌。②接種時注意外植體的方向，不要eq\x(\s\up1(32))倒插。③誘導(dǎo)愈傷組織期間一般eq\x(\s\up1(33))不需要光照，在后續(xù)的培養(yǎng)過程中，每日需要給予適當時間和強度的eq\x(\s\up1(34))光照。④當同時使用生長素和細胞分裂素時，兩者用量的比例影響植物細胞的發(fā)育方向生長素/細胞分裂素植物細胞的發(fā)育方向比值高有利于eq\x(\s\up1(35))根的分化比值低有利于eq\x(\s\up1(36))芽的分化比值適中促進eq\x(\s\up1(37))愈傷組織的形成簡記：“高”根，“低”芽，“中”愈傷四植物體細胞雜交技術(shù)1．概念：將eq\x(\s\up1(01))不同來源的植物體細胞，在一定條件下融合成eq\x(\s\up1(02))雜種細胞，并把雜種細胞培育成eq\x(\s\up1(03))新植物體的技術(shù)。2．原理：細胞膜的流動性和細胞的全能性。3．操作流程①eq\x(\s\up1(04))兩種植物細胞②eq\x(\s\up1(05))去除細胞壁③eq\x(\s\up1(06))兩種原生質(zhì)體④eq\x(\s\up1(07))原生質(zhì)體融合⑤eq\x(\s\up1(08))正在融合的原生質(zhì)體⑥eq\x(\s\up1(09))再生出細胞壁⑦eq\x(\s\up1(10))脫分化⑧eq\x(\s\up1(11))愈傷組織⑨eq\x(\s\up1(12))再分化⑩eq\x(\s\up1(13))雜種植株所用酶：eq\x(\s\up1(14))纖維素酶和果膠酶。誘導(dǎo)融合方法：eq\x(\s\up1(15))物理法，包括電融合法、離心法等；化學(xué)法，包括聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。4．意義：在打破生殖隔離，實現(xiàn)遠緣雜交育種，培育植物新品種等方面展示出獨特的優(yōu)勢。5．局限性：目前有許多理論和技術(shù)問題未解決，還不能讓雜種植物按照人們的需要表現(xiàn)出雙親的性狀。五植物細胞工程的應(yīng)用1．植物繁殖的新途徑2．作物新品種的培育(1)單倍體育種(一般用于二倍體)①過程花藥(或花粉)離體培養(yǎng)→eq\x(\s\up1(04))單倍體植株eq\o(→,\s\up7(人工誘導(dǎo)),\s\do5(染色體加倍))正常植株。②原理：eq\x(\s\up1(05))染色體變異。③優(yōu)點：當年就能培育出遺傳性狀eq\x(\s\up1(06))相對穩(wěn)定的純合二倍體植株，這極大地eq\x(\s\up1(07))縮短了育種的年限，節(jié)約了大量的人力和物力。(2)突變體的利用①過程：在植物組織培養(yǎng)過程中，由于培養(yǎng)細胞一直處于不斷eq\x(\s\up1(08))增殖的狀態(tài)，因此它們?nèi)菀资艿絜q\x(\s\up1(09))培養(yǎng)條件和eq\x(\s\up1(10))誘變因素(如射線、化學(xué)物質(zhì)等)的影響而發(fā)生突變。從產(chǎn)生突變的個體中可以篩選出對人們有用的突變體，進而培育成新品種。外植體eq\o(→,\s\up7(脫分化))愈傷組織→突變體eq\o(→,\s\up7(篩選),\s\do5(選育))新品種↑誘變處理②原理：eq\x(\s\up1(11))基因突變。3．細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)(1)次生代謝物①定義：植物代謝產(chǎn)生的一些一般認為不是植物基本的生命活動所必需的產(chǎn)物。②本質(zhì)：小分子有機化合物(如酚類、萜類和含氮化合物等)。③作用：在植物抗病、抗蟲等方面發(fā)揮作用，也是很多藥物、香料和色素等的重要來源。(2)生產(chǎn)技術(shù)手段①植物細胞培養(yǎng)：指在eq\x(\s\up1(12))離體條件下對eq\x(\s\up1(13))單個植物細胞或eq\x(\s\up1(14))細胞團進行培養(yǎng)使其增殖的技術(shù)。②優(yōu)點：它不占用耕地，幾乎不受季節(jié)、天氣等的限制，因此對于社會、經(jīng)濟、環(huán)境保護具有重要意義。③實例：紫草寧(世界上首例藥用植物細胞工程產(chǎn)品)、紫杉醇、人參皂苷、三七等。1．實驗中除外植體需要滅菌外，使用的培養(yǎng)基和所有的器械也都要滅菌。()2．無論脫分化還是再分化，過程中均需提供光照。()3．提高培養(yǎng)基中生長素和細胞分裂素的比值，有利于誘導(dǎo)生根。()4．同一株綠色開花植物不同部位的細胞經(jīng)組織培養(yǎng)獲得的植株基因型都是相同的。()5．植物組織培養(yǎng)中，培養(yǎng)基中添加蔗糖的目的是提供營養(yǎng)和調(diào)節(jié)滲透壓。()6．細胞融合時不只形成雜種細胞，還形成同種細胞融合的細胞。()7．形成雜種細胞就完成了植物體細胞雜交過程。()8．植物組織培養(yǎng)時，外植體須用適宜濃度的乙醇和次氯酸鈉的混合液消毒。()9．常用滅活的病毒誘導(dǎo)植物原生質(zhì)體融合。()10．植物組織培養(yǎng)繁育花卉的原理是植物細胞具有全能性。()11．愈傷組織是幼嫩葉片通過細胞分化形成的。()12．培養(yǎng)草莓脫毒苗所采用的主要技術(shù)是植物體細胞雜交。()13．植物組織培養(yǎng)和植物體細胞雜交過程染色體的種類和數(shù)目都不會發(fā)生改變。()14．初生代謝和次生代謝在生物整個的生命過程中始終進行。()考向一圍繞植物組織培養(yǎng)，考查科學(xué)思維[例1]花藥離體培養(yǎng)是重要的育種手段。下圖是某二倍體植物花藥育種過程的示意圖，下列敘述正確的是()A．為了防止微生物污染，過程①所用的花藥需在70%酒精中浸泡30minB．過程②的培養(yǎng)基中需添加較高濃度的細胞分裂素以利于根的分化C．過程③逐步分化的植株中可篩選獲得純合的二倍體D．過程④應(yīng)將煉苗后的植株移栽到含有蔗糖和多種植物激素的基質(zhì)上[例2](2020·天津等級考)某植物有A、B兩品種?？蒲腥藛T在設(shè)計品種A組織培養(yǎng)實驗時，參照品種B的最佳激素配比(見下表)進行預(yù)實驗。品種B組織培養(yǎng)階段細胞分裂素濃度(μmol/L)生長素濃度(μmol/L)Ⅰ誘導(dǎo)形成愈傷組織m1n1Ⅱ誘導(dǎo)形成幼芽m2n2Ⅲ誘導(dǎo)生根m3n3據(jù)表回答：(1)Ⅰ階段時通常選擇莖尖、幼葉等作為外植體，原因是__________________________________________。(2)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段中發(fā)生基因選擇性表達的是________________階段。(3)為確定品種A的Ⅰ階段的最適細胞分裂素濃度，參照品種B的激素配比(m1>2.0)，以0.5μmol/L為梯度，設(shè)計5個濃度水平的實驗，細胞分裂素最高濃度應(yīng)設(shè)為________μmol/L。(4)Ⅲ階段時，科研人員分別選用濃度低于或高于n3μmol/L的生長素處理品種A幼芽都能達到最佳生根效果，原因是處理幼芽時，選用低濃度生長素時的處理方法為________，選用高濃度生長素時的處理方法為________。(5)在________階段用秋水仙素對材料進行處理，最易獲得由單個細胞形成的多倍體?？枷蚨@植物體細胞雜交，考查科學(xué)思維能力[例3](2025·八省聯(lián)考四川)科學(xué)家用蝸牛提取液處理煙草葉片和擬南芥根得到原生質(zhì)體，兩種原生質(zhì)體經(jīng)PEG處理后篩選出雜種細胞，其分裂產(chǎn)生的愈傷組織經(jīng)誘導(dǎo)形成再生植株。經(jīng)鑒定，再生植株同時表現(xiàn)出煙草和擬南芥的部分性狀。下列敘述錯誤的是()A．蝸牛提取液具有纖維素酶和果膠酶活性，可去除細胞壁獲得原生質(zhì)體B．利用PEG處理可以促進兩種原生質(zhì)體的融合C．用較高濃度的細胞分裂素處理雜種細胞產(chǎn)生的愈傷組織，有利于根的分化D．雜種細胞誘導(dǎo)形成具有雙親部分性狀的再生植株是基因選擇性表達的結(jié)果[例4]科學(xué)家用植物體細胞雜交技術(shù)，將月季(二倍體，2n＝14)的紅色花瓣細胞與枸杞(四倍體，4n＝48)的葉肉細胞，制備成雜種細胞，并篩選、培養(yǎng)獲得雜種植株。下列敘述正確的是()A．獲得原生質(zhì)體可在0.9%NaCl溶液環(huán)境下用纖維素酶和果膠酶處理B．若只考慮兩兩融合，則融合后的細胞中染色體均為62條C．顯微鏡下觀察到細胞中同時含有葉綠體和紅色液泡可做為篩選雜種細胞的標志D．植物體細胞雜交所獲得的雜種植株的變異類型屬于染色體結(jié)構(gòu)變異考向三圍繞植物細胞工程的應(yīng)用，考查社會責任[例5](2024·黑吉遼，6)迷迭香酸具有多種藥理活性。進行工廠化生產(chǎn)時，先誘導(dǎo)外植體形成愈傷組織，再進行細胞懸浮培養(yǎng)獲得迷迭香酸，加入誘導(dǎo)劑茉莉酸甲酯可大幅提高產(chǎn)量。下列敘述錯誤的是()A．迷迭香頂端幼嫩的莖段適合用作外植體B．誘導(dǎo)愈傷組織時需加入NAA和脫落酸C．懸浮培養(yǎng)時需將愈傷組織打散成單個細胞或較小的細胞團D．茉莉酸甲酯改變了迷迭香次生代謝產(chǎn)物的合成速率[例6]辣椒中的辣椒素作為一種生物堿廣泛用于食品保健、醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域，辣椒素的獲得途徑如圖所示。下列敘述錯誤的是()A．外植體要消毒處理后才可接種培養(yǎng)B．①和②分別表示植物組織培養(yǎng)中脫分化、再分化過程C．辣椒素是植物生命活動所必需的次生代謝物D．選擇植物的莖尖部位進行培養(yǎng)，得到的脫毒苗不具有抗病毒能力答案及解析1．實驗中除外植體需要滅菌外，使用的培養(yǎng)基和所有的器械也都要滅菌。(×)2．無論脫分化還是再分化，過程中均需提供光照。(×)3．提高培養(yǎng)基中生長素和細胞分裂素的比值，有利于誘導(dǎo)生根。(√)4．同一株綠色開花植物不同部位的細胞經(jīng)組織培養(yǎng)獲得的植株基因型都是相同的。(×)5．植物組織培養(yǎng)中，培養(yǎng)基中添加蔗糖的目的是提供營養(yǎng)和調(diào)節(jié)滲透壓。(√)6．細胞融合時不只形成雜種細胞，還形成同種細胞融合的細胞。(√)7．形成雜種細胞就完成了植物體細胞雜交過程。(×)8．植物組織培養(yǎng)時，外植體須用適宜濃度的乙醇和次氯酸鈉的混合液消毒。(×)9．常用滅活的病毒誘導(dǎo)植物原生質(zhì)體融合。(×)10．植物組織培養(yǎng)繁育花卉的原理是植物細胞具有全能性。(√)11．愈傷組織是幼嫩葉片通過細胞分化形成的。(×)12．培養(yǎng)草莓脫毒苗所采用的主要技術(shù)是植物體細胞雜交。(×)13．植物組織培養(yǎng)和植物體細胞雜交過程染色體的種類和數(shù)目都不會發(fā)生改變。(×)14．初生代謝和次生代謝在生物整個的生命過程中始終進行。(×)考向一圍繞植物組織培養(yǎng)，考查科學(xué)思維[例1]花藥離體培養(yǎng)是重要的育種手段。下圖是某二倍體植物花藥育種過程的示意圖，下列敘述正確的是()A．為了防止微生物污染，過程①所用的花藥需在70%酒精中浸泡30minB．過程②的培養(yǎng)基中需添加較高濃度的細胞分裂素以利于根的分化C．過程③逐步分化的植株中可篩選獲得純合的二倍體D．過程④應(yīng)將煉苗后的植株移栽到含有蔗糖和多種植物激素的基質(zhì)上答案：C解析：為了防止微生物污染，過程①所用的花藥需在體積分數(shù)為70%的酒精中浸泡30s，A錯誤；過程②為脫分化形成愈傷組織的過程，所用培養(yǎng)基中細胞分裂素和生長素的比例適中，B錯誤；進行過程③的愈傷組織經(jīng)過了秋水仙素的處理，故其分化后的植株中可篩選獲得純合的二倍體，C正確。[例2](2020·天津等級考)某植物有A、B兩品種?？蒲腥藛T在設(shè)計品種A組織培養(yǎng)實驗時，參照品種B的最佳激素配比(見下表)進行預(yù)實驗。品種B組織培養(yǎng)階段細胞分裂素濃度(μmol/L)生長素濃度(μmol/L)Ⅰ誘導(dǎo)形成愈傷組織m1n1Ⅱ誘導(dǎo)形成幼芽m2n2Ⅲ誘導(dǎo)生根m3n3據(jù)表回答：(1)Ⅰ階段時通常選擇莖尖、幼葉等作為外植體，原因是__________________________________________。(2)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段中發(fā)生基因選擇性表達的是________________階段。(3)為確定品種A的Ⅰ階段的最適細胞分裂素濃度，參照品種B的激素配比(m1>2.0)，以0.5μmol/L為梯度，設(shè)計5個濃度水平的實驗，細胞分裂素最高濃度應(yīng)設(shè)為________μmol/L。(4)Ⅲ階段時，科研人員分別選用濃度低于或高于n3μmol/L的生長素處理品種A幼芽都能達到最佳生根效果，原因是處理幼芽時，選用低濃度生長素時的處理方法為________，選用高濃度生長素時的處理方法為________。(5)在________階段用秋水仙素對材料進行處理，最易獲得由單個細胞形成的多倍體。答案：(1)細胞分化程度低，容易誘導(dǎo)產(chǎn)生愈傷組織(2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(3)m1＋1.0(4)浸泡法(長時間處理)沾蘸法(短時間處理)(5)Ⅰ解析：(2)Ⅰ過程愈傷組織形成是離體的植物細胞脫分化的結(jié)果，脫分化過程中細胞的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生明顯改變，成為未分化狀態(tài)；Ⅱ、Ⅲ過程形成幼芽、根的過程存在細胞的分化，分化和脫分化都存在基因的選擇性表達，故Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段都存在基因的選擇性表達。(3)根據(jù)題意，表中數(shù)據(jù)為品種B的最佳激素配比，若要確定品種A的Ⅰ階段最佳細胞分裂素濃度，以0.5μmol/L為梯度，可參考m1為中間值，故實驗中細胞分裂素最高濃度可設(shè)為m1＋1.0μmol/L。(4)實驗中用生長素處理插條的方法可選用浸泡法或沾蘸法，浸泡法時間長、所需濃度低，而沾蘸法處理時間短、所需濃度高；因此Ⅲ過程中，選用低濃度生長素時的處理方法為浸泡法，時間長；而選用高濃度生長素時的處理方法為沾蘸法，時間短，都能達到最佳生根效果。(5)秋水仙素可抑制紡錘體形成，導(dǎo)致染色體加倍形成多倍體，愈傷組織分裂旺盛，故在Ⅰ階段用秋水仙素處理，最易獲得由單個細胞形成的多倍體?？枷蚨@植物體細胞雜交，考查科學(xué)思維能力[例3](2025·八省聯(lián)考四川)科學(xué)家用蝸牛提取液處理煙草葉片和擬南芥根得到原生質(zhì)體，兩種原生質(zhì)體經(jīng)PEG處理后篩選出雜種細胞，其分裂產(chǎn)生的愈傷組織經(jīng)誘導(dǎo)形成再生植株。經(jīng)鑒定，再生植株同時表現(xiàn)出煙草和擬南芥的部分性狀。下列敘述錯誤的是()A．蝸牛提取液具有纖維素酶和果膠酶活性，可去除細胞壁獲得原生質(zhì)體B．利用PEG處理可以促進兩種原生質(zhì)體的融合C．用較高濃度的細胞分裂素處理雜種細胞產(chǎn)生的愈傷組織，有利于根的分化D．雜種細胞誘導(dǎo)形成具有雙親部分性狀的再生植株是基因選擇性表達的結(jié)果答案：C解析：植物細胞壁的主要成分是纖維素和果膠，分析題意，科學(xué)家用蝸牛提取液處理煙草葉片和擬南芥根得到原生質(zhì)體，由此可知，蝸牛提取液具有纖維素酶和果膠酶活性，可去除細胞壁獲得原生質(zhì)體，A正確；誘導(dǎo)生根時生長素與細胞分裂素的比例較高，而誘導(dǎo)芽分化時兩者比例較低，C錯誤；雜種細胞誘導(dǎo)形成具有雙親部分性狀的再生植株(發(fā)生了細胞分化過程等)是基因選擇性表達的結(jié)果，D正確。[例4]科學(xué)家用植物體細胞雜交技術(shù)，將月季(二倍體，2n＝14)的紅色花瓣細胞與枸杞(四倍體，4n＝48)的葉肉細胞，制備成雜種細胞，并篩選、培養(yǎng)獲得雜種植株。下列敘述正確的是()A．獲得原生質(zhì)體可在0.9%NaCl溶液環(huán)境下用纖維素酶和果膠酶處理B．若只考慮兩兩融合，則融合后的細胞中染色體均為62條C．顯微鏡下觀察到細胞中同時含有葉綠體和紅色液泡可做為篩選雜種細胞的標志D．植物體細胞雜交所獲得的雜種植株的變異類型屬于染色體結(jié)構(gòu)變異答案：C解析：獲得植物的原生質(zhì)體的操作一般在等滲溶液中進行，等滲溶液可維持去除細胞壁后的原生質(zhì)體的正常形態(tài)，去除細胞壁可用纖維素酶和果膠酶處理植物細胞，0.9%NaCl溶液不是植物細胞的等滲溶液，A錯誤；若原生質(zhì)體均為兩兩融合，