1、-1-一植物细胞工程的基本技术一植物细胞工程的基本技术学习目标1.说出细胞的全能性和植物组织培养的概念。2.探究植物组织培养的过程。3.说出植物体细胞杂交技术的过程,认同此技术的优点。一、植物组织培养技术1.细胞工程:应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法,通过细胞器、细胞或组织水平上的操作,有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。2.细胞的全能性:细胞经分裂和分化后,仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能,即细胞具有全能性。在生物的生长发育过程中,并不是所有的细胞都表现出全能性,这是因为在特定的时间和空间条件下,细胞中的基因会选择
2、性地表达。3.植物组织培养:将离体的植物器官、组织或细胞等,培养在人工配制的培养基上,给予适宜的培养条件,诱导其形成完整植株的技术。离体培养的植物器官、组织或细胞被称为外植体。4.植物组织培养的流程:接种外植体,诱导愈伤组织,诱导生芽,诱导生根,移植成活五个过程。5.菊花的组织培养(1)实验原理植物细胞一般具有全能性。在一定的激素和营养等条件的诱导下,已经分化的细胞可以经过脱分化,即失去其特有的结构和功能,转变成未分化的细胞,进而形成不定形的薄壁组织团块,这称为愈伤组织。愈伤组织能重新分化成芽、根等器官,该过程称为再分化。植物激素中生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素,它
3、们的浓度、比例等都会影响植物细胞的发育方向。将愈伤组织接种到含有特定激素的培养基上,就可以诱导其再分化成胚状体,长出芽和根,进而发育成完整的植株。(2)实验步骤用酒精擦拭双手和超净工作台台面。将流水充分冲洗后的外植体(幼嫩的茎段)用酒精消毒30 s,然后立即用无菌水清洗23次;再用次氯酸钠溶液处理30 min后,立即用无菌水清洗23次。将消过毒的外植体置于无菌的培养皿中,用无菌滤纸吸去表面的水分。用解剖刀将外植体切成0.51 cm长的小段。在酒精灯火焰旁,将外植体的1/31/2插入诱导愈伤组织的培养基中。用封口膜或瓶盖封盖瓶口,并在培养瓶上做好标记。将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于1
4、822 的培养箱中培养。在培养过程中,定期观察和记录愈伤组织的生长情况。培养1520 d后,将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上。长出芽后,再将其转接到诱导生根的培养基上,进一步诱导形成试管苗。移栽前先打开封口膜或瓶盖,让试管苗在培养箱内生长几日。用流水清洗掉根部的培养基后,将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中,待其长壮后再移栽入土。每天观察并记录幼苗的生长情况,适时浇水、施肥,直至开花。预习反馈1.判断正误。(1)细胞工程可以通过在分子水平上的操作,获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品。( )(2)植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出全能性。( )(3)在植物组织培养过程
5、中,细胞的遗传物质一般都发生改变。( )(4)诱导愈伤组织期间需要给予光照。( )2.下图为植物组织培养过程,有关说法正确的是()A.试管中的愈伤组织细胞全能性最高B.试管中培育出的个体都是纯合子C.的过程需要光照D.过程培养基保持不变答案A解析试管中的组织块经脱分化形成试管中的愈伤组织,愈伤组织是未分化的细胞,在本实验中全能性最高;植物组织培养属于无性生殖,不改变基因型,所以产生的个体基因型与母本是相同的,可能是纯合子也可能是杂合子;脱分化形成愈伤组织的过程中一般不需要光照;植物组织培养的不同阶段需要的条件不同,培养基中所含有的物质比例也不同,如生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分
6、化的关键激素,它们的浓度、比例等都会影响植物细胞的发育方向。二、植物体细胞杂交技术1.概念将不同来源的植物体细胞,在一定条件下融合成杂种细胞,并把杂种细胞培育成新植物体的技术。2.过程 (1)去壁:用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁,获得原生质体。(2)诱导原生质体融合的方法物理法:包括电融合法、离心法等。化学法:包括聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2+高pH融合法等。3.意义在打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,培育植物新品种等方面展示出独特的优势。预习反馈1.判断正误。(1) 植物体细胞杂交过程中,要先去除细胞壁的原因是细胞壁阻碍了原生质体的融合。( )(2)植物体细胞杂交技术的最终目的是得到杂
7、种细胞。( )(3)植物体细胞杂交过程中,细胞融合成功的标志是产生新的细胞壁。( )(4)植物体细胞杂交过程中,原生质体融合的结构基础是细胞膜的流动性。( )(5)植物体细胞杂交只能在同种植物间操作。( )2.如图所示是利用植物体细胞杂交技术培育新植株的过程,植物细胞A和B分别来源于二倍体植物甲和乙。下列有关分析正确的是()A.过程需要将植物细胞A和B置于含纤维素酶和果胶酶的低渗溶液中B.过程用聚乙二醇等诱导原生质体a、b融合,主要依据的原理是细胞膜具有选择透过性C.将杂种细胞c培育成新植物体过程中需要根据生长发育进程更换培养基D.最终得到的植株相对于甲、乙而言发生了染色体数目变异,不可育答案
8、C解析过程为去除细胞壁,若将植物细胞A和B置于含有纤维素酶和果胶酶的低渗溶液中,去除细胞壁后得到的原生质体易吸水涨破,A项错误;过程用聚乙二醇等诱导原生质体a、b融合,依据的原理是细胞膜的流动性,B项错误;将杂种细胞c培育成新植物体过程中,不同的发育阶段需要用不同的培养基,C项正确;最终得到的植株相对于甲、乙来说,染色体数目有差异,但由于甲、乙都是二倍体植物,所以理论上得到的杂种植株是可育的,D项错误。探究点一探究点二探究点三细胞的全能性细胞的全能性情境导引细胞表现出全能性的条件有哪些?标志是什么?资料 美国科学家斯图尔德曾经应用植物组织培养技术,将二倍体胡萝卜韧皮部的一些细胞进行离体培养,最
9、终发育成完整的新植株(如图)。探究点一探究点二探究点三1.这一科学实验证明了植物细胞具有。 答案全能性2.上述胡萝卜的部分韧皮部细胞能发育成完整新植株的原因是。 答案细胞中具有本物种全套的遗传信息探究点一探究点二探究点三3.完成下表。植物细胞表现全能性的条件材料 培养基种类齐全、比例适当的及一定比例的 外界条件 a.;b.光照的控制;c.酸碱度等 答案离体的植物细胞、组织、器官营养物质植物激素无菌操作4.利用胡萝卜的花药能培养成完整的植株吗? 。 答案能探究点一探究点二探究点三归纳提升1.细胞的全能性(1)具有全能性的原因:一般生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传信息。(2)现实体
10、现:在生物的生长发育过程中,生物体内的细胞并不会表现出全能性,而是分化成各种组织和器官。这是因为在特定的时间和空间条件下,细胞内的基因会选择性地表达。探究点一探究点二探究点三(3)不同细胞全能性的大小体细胞全能性: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。不同细胞的全能性:受精卵胚胎干细胞生殖细胞体细胞。不同生物的细胞全能性:植物细胞动物细胞。(4)全能性与细胞分化的关系:随着细胞分化程度的不断提高,细胞的全能性逐渐降低。探究点一探究点二探究点三2.植物细胞全能性表达所需条件(1)体细胞未表现全能性的原因:基因的选择性表达。(2)体现细胞全能性的条件材料离体的细胞、组织或器官
11、培养基种类齐全、比例合适的营养物质及一定比例的植物激素外界条件无菌操作光照:愈伤组织培养最初避光培养,后期见光培养探究点一探究点二探究点三特别提醒 (1)细胞表达全能性的标志是发育成完整个体或分化成其他各种细胞。(2)细胞具有全能性是因为细胞中具有发育成完整个体所必需的“全套基因”而不是“全部基因”,配子中有全套基因,因此仍然具有全能性。探究点一探究点二探究点三典例剖析(多选)以下可以说明细胞具有全能性的实验是()A.玉米花粉粒培育出植株B.转入贮存蛋白基因的向日葵细胞培育出植株C.烧伤病人的健康细胞培养出皮肤D.胡萝卜的形成层组织培育成胡萝卜幼苗答案ABD解析细胞的全能性是指细胞经分裂和分化
12、后,仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。玉米花粉粒培育出植株、向日葵细胞培育出植株、胡萝卜的形成层组织培育成胡萝卜幼苗都是细胞全能性的体现,只有C项不能体现细胞的全能性。探究点一探究点二探究点三活学活练下列有关细胞全能性的叙述,不正确的是()A.受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体,因此全能性最高B.生物体内的体细胞由于细胞分化,全能性不能表达C.卵细胞与受精卵一样,细胞未分化,全能性最高D.植物细胞在一定条件下离体培养能表现出全能性答案C解析受精卵是个体发育的起点,在自然条件下,通过细胞的分裂、分化形成完整的个体,所以受精卵的全能性最高;生物体内的体细胞由于细胞分化,细胞
13、中的基因选择性地表达,因此全能性不能表达;卵细胞属于已分化的细胞,与受精卵相比,全能性较低;分化的植物细胞尽管具有全能性,但如果要表现出全能性,植物细胞必须在一定条件下进行离体培养。探究点一探究点二探究点三植物组织培养技术植物组织培养技术情境导引将离体的植物细胞培养成幼苗的关键步骤是什么?下图为植物组织培养过程,请据图回答问题。探究点一探究点二探究点三1.过程为,对光的要求是;过程为,对光的要求是。 答案脱分化避光再分化需光2.与的培养基不同,最大差异是和的比值不同。 答案生长素细胞分裂素3.过程在生殖方式上属于生殖。 答案无性探究点一探究点二探究点三归纳提升1.植物组织培养相关概念辨析(1)
14、外植体:离体培养的植物器官、组织或细胞。(2)胚状体:植物细胞离体培养,经过脱分化和再分化,发育成胚状体。胚状体经过生长发育成完整植株。(3)愈伤组织:一团没有特定结构和功能,排列疏松而无规则,高度液泡化的呈无定形状态的薄壁组织团块。探究点一探究点二探究点三(4)脱分化和再分化的比较 比较内容脱分化再分化过程外植体愈伤组织愈伤组织幼苗需要条件离体适宜的营养生长素与细胞分裂素的比例适中不需光离体适宜的营养生长素与细胞分裂素的比例高(低)诱导生根(生芽)需光照探究点一探究点二探究点三2.植物组织培养的条件(1)离体、无菌。(2)环境条件适宜:如营养物质(水、无机盐、蔗糖、维生素等)、激素(生长素和
15、细胞分裂素)、适宜的温度和光照。3.植物组织培养的过程探究点一探究点二探究点三4.菊花组织培养实验的注意事项(1)条件控制:植物组织培养过程中光照条件的控制非常重要,包括光照强度、光照时间和波长等。在形成愈伤组织的脱分化阶段往往需要暗培养,而在再分化的过程中一定要有光照。脱分化阶段的暗培养有利于细胞的脱分化,产生愈伤组织,因为在光照条件下细胞容易分化产生维管组织,不利于产生大量的愈伤组织。再分化阶段要有光照,这样有利于诱导形成叶绿素。(2)取材:含形成层(分生组织)的部位易于诱导形成愈伤组织。尽管植物体其他已分化的部位也可以用于组织培养,但诱导愈伤组织的形成比较困难。探究点一探究点二探究点三(
16、3)消毒和灭菌:培养基中含有丰富的营养物质,不仅有利于培养物的生长,也有利于各种杂菌的生长。一旦污染,迅速生长的各种杂菌不仅会与培养物争夺营养,而且会产生大量对培养物有害的物质,导致培养物死亡。(4)植物激素的作用生长素与细胞分裂素的比值作用效果高有利于根的分化,抑制芽的形成低有利于芽的分化,抑制根的形成适中促进愈伤组织形成探究点一探究点二探究点三典例剖析如图为将胡萝卜的离体组织在一定条件下培育形成试管苗的过程示意图。下列有关叙述正确的是()A.利用此过程获得的试管苗可能为杂合子B.过程中都会发生细胞的增殖和分化C.多倍体植株的培育必须经过如图所示过程D.此过程依据的生物学原理是细胞膜具有流动
17、性探究点一探究点二探究点三答案A解析题图为植物组织培养过程,利用此过程获得的试管苗的基因型与离体组织所属个体的基因型相同,可能为杂合子,也可能为纯合子,A项正确;是脱分化过程,没有发生细胞分化,B项错误;多倍体植株的培育一般不需要采用植物组织培养技术,而是采用秋水仙素或低温诱导来处理萌发的种子或幼苗,C项错误;此过程依据的原理是植物细胞的全能性,D项错误。探究点一探究点二探究点三活学活练植物组织培养过程中的脱分化是指()A.植物体的分生组织通过细胞分裂产生新细胞的过程B.未成熟的种子经过处理培育出幼苗的过程C.植物的器官、组织或细胞,通过离体培养产生愈伤组织的过程D.取植物的枝芽培育成一株新植
18、物的过程答案C解析植物组织培养中的脱分化是指离体的植物器官、组织、细胞培养产生愈伤组织的过程。探究点一探究点二探究点三植物体细胞杂交技术植物体细胞杂交技术情境导引植物体细胞杂交技术的操作流程是怎样的?与植物组织培养有什么关系?以下为植物体细胞杂交技术流程图,其中甲和乙分别表示两种二倍体植物细胞,所含有的染色体组分别是AA和BB。请据图分析回答问题。探究点一探究点二探究点三1.过程的目的是,所用的酶为。 答案去除细胞壁纤维素酶和果胶酶2.将若干a和b等量混合后转移到培养基上培养,再经过和,c的细胞类型有(不考虑三个或三个以上的细胞融合,用染色体组成表示)。 答案AA、BB、AAAA、BBBB、A
19、ABB3.在采用化学法进行过程时,一般是用作为诱导剂。 答案聚乙二醇(PEG)4.植物体细胞杂交与自然状况下的杂交相比,前者的重要意义是。 答案克服了远缘杂交不亲和的障碍探究点一探究点二探究点三归纳提升1.植物体细胞杂交的过程步骤图解方法原生质体的获得酶解法(纤维素酶和果胶酶)去除细胞壁,得到原生质体杂种细胞的形成通过一定的技术手段(电激、聚乙二醇诱导等)进行人工诱导,实现原生质体的融合杂种植株的产生对杂种细胞,用植物组织培养的方法进行培育探究点一探究点二探究点三2.植物组织培养和植物体细胞杂交的比较 项目 植物组织培养植物体细胞杂交原理 植物细胞的全能性细胞膜具有一定的流动性和植物细胞的全能
20、性过程探究点一探究点二探究点三项目植物组织培养植物体细胞杂交选材根尖、茎尖、形成层部位最容易诱导脱分化不同来源的植物体细胞技术操作脱分化、再分化等除脱分化、再分化外,还要用酶解法去除细胞壁,用一定的方法诱导细胞融合关系植物组织培养是植物体细胞杂交的基础,植物体细胞杂交所用的技术更复杂探究点一探究点二探究点三3.植物体细胞杂交过程中的注意事项(1)植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖溶液且浓度略大于植物细胞质浓度,不仅为原生质体提供营养,而且还能维持一定的渗透压,使原生质体保持正常的形态。(2)体细胞融合后培养基中主要有5种细胞类型(A、B、AA、BB、AB),其中融合细胞类型有3种(AA、BB、
21、AB),而真正符合要求的是AB,因此要对融合细胞进行筛选。(3)体细胞杂交过程中涉及的遗传知识从生殖类型上看,植物体细胞杂交技术没有生殖细胞的形成和结合,属于无性生殖,变异类型是染色体数目的变异,形成的是异源多倍体,由于含有两个亲本的遗传物质,因此理论上应具有两个亲本的遗传性状。探究点一探究点二探究点三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是两亲本之和。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,则新植株应为异源四倍体,其体细胞中染色体为(2x+2y)条,4个染色体组,基因型为Aabb
22、ccDd。体细胞杂交培育新品种的过程中,遗传物质的传递不遵循孟德尔的遗传定律,只有在有性生殖进行减数分裂过程中才符合遗传定律,而体细胞杂交没有此过程。探究点一探究点二探究点三典例剖析下面是“白菜甘蓝”杂种植株培育过程示意图。下列叙述中正确的是()探究点一探究点二探究点三A.如将纯种的白菜和甘蓝的卵细胞分别制成原生质体,按相同的方法操作也可得到与图示基因型相同的杂种植株B.可以通过在0.3 g/mL蔗糖溶液中是否发生质壁分离来判断白菜原生质体的死活C.该培养过程中可能发生细胞分化、染色体变异或基因突变,一般不会发生基因重组D.植物组织培养时利用的培养基和无土栽培时利用的营养液成分完全相同探究点一
23、探究点二探究点三答案C解析卵细胞是经减数分裂形成的,遗传物质减半,用卵细胞杂交得到的植株的细胞的遗传物质是体细胞杂交的一半,A项错误;原生质体没有细胞壁,不会发生质壁分离,B项错误;植物组织培养过程中细胞进行有丝分裂,只能发生细胞分化、染色体变异或基因突变,不会发生基因重组,C项正确;植物组织培养时细胞要离体,最初一段时间不能进行光合作用,因此植物组织培养利用的培养基中需要添加有机物,还需要添加琼脂作为凝固剂,D项错误。探究点一探究点二探究点三活学活练下列关于植物体细胞杂交的说法,正确的是()A.植物体细胞杂交需用纤维素酶和果胶酶去细胞壁,然后放在无菌的蒸馏水中,用聚乙二醇促其融合B.植物体细
24、胞杂交的最终目的是要形成愈伤组织,证明杂种细胞具有全能性C.二倍体的白菜和甘蓝,经体细胞杂交后,产生的新个体一定是不育的D.植物体细胞杂交的实质是原生质体融合,最终目的是要产生杂种植株,其重大突破表现在克服远源杂交不亲和的障碍探究点一探究点二探究点三答案D解析植物体细胞杂交需用纤维素酶和果胶酶去细胞壁,然后放在无菌的等渗溶液中,用聚乙二醇促其融合,A项错误;植物体细胞杂交的最终目的是要形成杂种植株,B项错误;二倍体的白菜和甘蓝,经体细胞杂交后,产生的新个体理论上是可育的,C项错误;植物体细胞杂交的实质是原生质体融合,最终目的是要产生杂种植株,其重大突破表现在克服远源杂交不亲和的障碍,D项正确。
