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1、第1節(jié)植物細胞工程,1.理解并闡述細胞的全能性。 2.舉例說出植物組織培養(yǎng)技術(shù)的過程、原理及應用。 3.舉例說出植物體細胞雜交技術(shù)的過程及應用。,一,二,三,植物細胞工程涉及許多操作技術(shù),主要包括植物組織培養(yǎng)技術(shù)、植物體細胞雜交技術(shù)和植物細胞核移植技術(shù)等。 一、植物組織培養(yǎng)技術(shù) 1.任何一個細胞只要含有這種生物的全部遺傳信息,那么,它就具有發(fā)育成完整生物體的潛能,也就是說每個生物細胞都具有全能性。 2.植物組織培養(yǎng)技術(shù)是植物細胞工程的基礎(chǔ)技術(shù),根據(jù)培養(yǎng)物的種類又可分為植物細胞培養(yǎng)、植物離體胚培養(yǎng)、原生質(zhì)體培養(yǎng)和花粉及花藥培養(yǎng)技術(shù)等。 3.植物的細胞培養(yǎng)是植物體細胞雜交、植物細胞核移植、顯微注射

2、和細胞代謝產(chǎn)物大規(guī)模生產(chǎn)等技術(shù)的基礎(chǔ)。 4.植物細胞培養(yǎng)主要是將選定的植物細胞在適當?shù)臈l件下進行培養(yǎng),以得到大量基本同步生長的細胞,為遺傳操作提供材料。植物細胞培養(yǎng)采用的方法主要是細胞懸浮培養(yǎng)。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,一,二,三,5.植物體細胞雜交和顯微注射技術(shù)的基礎(chǔ)是原生質(zhì)體培養(yǎng),即用纖維素酶和果膠酶去除植物細胞壁獲得有活力的原生質(zhì)體,并進行培養(yǎng)。 6.植物組織培養(yǎng)的概念:在無菌和人工控制的條件下,將離體的植物器官、組織、細胞,培養(yǎng)在人工配制的培養(yǎng)基上,給予適宜的培養(yǎng)條件,最終誘導產(chǎn)生愈傷組織、叢芽或完整的植株。 思考： 用流程圖形式寫出植物組織培養(yǎng)的操作流程。,,,,,,,,

3、,,一,二,三,二、植物體細胞雜交技術(shù) 1.植物體細胞雜交就是將不同種的植物體細胞原生質(zhì)體在一定條件下融合成雜種細胞,并把雜種細胞培育成完整植物體的技術(shù)。人工誘導原生質(zhì)體融合的方法可以分為物理法和化學法兩大類:物理法包括離心、振動、電刺激等;化學法一般采用聚乙二醇來誘導細胞融合。 2.植物細胞工程就是利用細胞生物學和分子生物學的原理和方法,以植物細胞為基本單位進行培養(yǎng)增殖或按照人們的意愿來改造細胞的某些生物學特性,從而獲得細胞產(chǎn)品的一門綜合技術(shù)。 思考： 植物體細胞雜交時細胞融合成功的標志是什么? 提示:融合后的原生質(zhì)體再生出細胞壁。,,,,,,,,,一,二,三,三、植物細胞工程的應用 1.植

4、物的微型快速繁殖:利用植物的組織或器官,經(jīng)過組織培養(yǎng)過程,在短時間內(nèi)獲得大量的植物幼苗的技術(shù)。 2.人工種子:是一種以植物組織培養(yǎng)得到的胚狀體為主要材料,再在其外面包裹一層有機薄膜制作而成的顆粒體。 3.作物脫毒:利用植物的幼嫩組織或器官,如莖尖,進行組織培養(yǎng),可獲得脫毒種苗。 4.愈傷組織的誘變育種:植物的愈傷組織在培養(yǎng)過程中一直處于分裂增生的狀態(tài),其遺傳物質(zhì)極易受到外界因素的影響而發(fā)生變異。所以利用植物組織先誘導出愈傷組織,然后對愈傷組織進行誘變處理,可以從再分化得到的植株中篩選、培育出新的品系或品種。,,,,,,,,,,,,,一,二,三,5.細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn):利用組織培養(yǎng)方法,培養(yǎng)植

5、物的某些器官或愈傷組織,篩選出高產(chǎn)、高合成能力和生長較快的細胞株系,繼而進行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。 6.拯救瀕危植物。,,,一、植物細胞的全能性與組織培養(yǎng) 1.細胞的全能性 (1)具有全能性的原因:一般生物體的每一個細胞都是受精卵通過有絲分裂形成的,都包含有該生物的全套遺傳信息,都有發(fā)育成為完整個體所必需的全部基因。 (2)不同細胞全能性的大小 體細胞全能性:分化程度低的分化程度高的,細胞分裂能力強的細胞分裂能力弱的。 不同細胞全能性:受精卵生殖細胞干細胞體細胞。 不同生物的細胞全能性:植物細胞動物細胞。 (3)全能性與細胞分化的關(guān)系:隨著細胞分化程度的不斷提高,細胞的全能性逐漸降低。,2.植物組

6、織培養(yǎng) (1)原理:植物細胞具有全能性。 (2)流程:,3.植物細胞全能性表達所需條件 (1)體細胞未表現(xiàn)全能性的原因:基因的選擇性表達。 (2)細胞表達全能性的條件,特別提醒植物激素的種類和比例,特別是生長素和細胞分裂素的協(xié)同調(diào)控作用在植物組織培養(yǎng)中起非常重要的作用,被稱為“激素杠桿”。,二、植物體細胞雜交 1.原理 (1)植物體細胞雜交實現(xiàn)的基礎(chǔ):細胞膜的流動性。 (2)植物組織培養(yǎng)的基礎(chǔ):植物細胞的全能性。,2.操作過程,3.目的 植物體細胞雜交的終點是培育成雜種植株。雜種植株的特征是具備兩種植物的遺傳特征,原因是雜種植株中含有兩種植物的遺傳物質(zhì)。 4.優(yōu)點:克服了遠緣雜交不親和的障礙。

7、 特別提醒(1)植物體細胞雜交過程中無有性生殖細胞的結(jié)合,屬于無性生殖。 (2)從雜種植株的染色體組成上看,染色體數(shù)目增加,植物體細胞雜交屬于染色體數(shù)目的變異。,三、人工種子 1.特點:后代不會發(fā)生性狀分離;不受季節(jié)、氣候和地域限制。 2.結(jié)構(gòu):人工薄膜包裹著顆粒狀的胚狀體(或不定芽、頂芽、腋芽)。其結(jié)構(gòu)如下圖所示,主要由三部分組成,一是胚狀體(分生組織),它相當于天然種子的胚,是有生命的物質(zhì)結(jié)構(gòu);二是供胚狀體維持生命力和保證其在適宜的環(huán)境條件下生長發(fā)育的人工胚乳(子葉);三是具有保護作用的“人工種皮”(人工薄膜)。,3.培育過程:植物組織培養(yǎng)誘導體細胞胚狀體的發(fā)生人工種皮的包埋等。 4.人工

8、種子的優(yōu)越性:可以保持雜種優(yōu)勢;可使在自然條件下不結(jié)實或種子昂貴的植物得以繁殖;是一種快捷高效的繁殖方式;節(jié)約了大量留種土地;可人為控制植物的生長發(fā)育與抗逆性,因為人工胚乳(子葉)除了含有供胚狀體發(fā)育成植株所必需的營養(yǎng)物質(zhì)外,還可以在其中加入除草劑、弱病毒、殺菌劑、農(nóng)藥、抑制休眠的物質(zhì)及對植物生長有益的細菌等,使人工種子具備抗逆性和耐貯性等優(yōu)良特性,也可添加激素類物質(zhì)以調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育。與試管苗技術(shù)相比,人工種子技術(shù)具有成本低、貯藏運輸方便、減少了移栽馴化過程和生產(chǎn)周期短等優(yōu)點。,四、愈傷組織的誘變育種 1.過程: 2.原理:基因突變和植物細胞的全能性。 3.優(yōu)點:提高愈傷組織的突變率,可

9、以獲得高抗、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆的新品種,加快了育種進程。 4.缺點:突變不定向,需要處理大量材料;突變少利多害,符合人們需要、有利的品種比較少。,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,細胞全能性 【典例1】 下列有關(guān)細胞全能性的敘述,不正確的是 () A.受精卵在自然條件下能形成完整個體,因此全能性最高 B.在生物體內(nèi)由于細胞分化,全能性不能表達 C.卵細胞與受精卵一樣,細胞未分化,全能性很高 D.植物細胞在一定條件下離體培養(yǎng)能表現(xiàn)出全能性 解析:受精卵是個體發(fā)育的起點,全能性最高。生物體內(nèi)每一個細胞都是受精卵通過有絲分裂形成的,都含有發(fā)育成完整個體所需的全部基因,理論上都具有全能性,但由于在

10、生物體內(nèi),細胞發(fā)生了分化,其全能性不能表達。卵細胞是已經(jīng)分化的細胞。分化的植物細胞盡管有全能性,但要表達全能性必須在一定條件下離體培養(yǎng)。 答案:C,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,反思領(lǐng)悟分化的體細胞之所以沒有表達出全能性是因為基因的選擇性表達。在離體和適當?shù)臈l件下,分化的體細胞也能表達其全能性。全能性表達的難易程度:受精卵生殖細胞體細胞;植物細胞動物細胞。,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,植物組織培養(yǎng) 【典例2】 下列關(guān)于植物組織培養(yǎng)的敘述,錯誤的是 () A.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 B.培養(yǎng)基中的生長素和細胞分裂素的比例影響愈傷組織的生長和分化 C.離

11、體器官或組織細胞都必須通過脫分化才能形成愈傷組織 D.同一株綠色開花植物不同部位的細胞經(jīng)培養(yǎng)獲得的愈傷組織基因相同,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,解析:培養(yǎng)基中加入蔗糖,一方面是作為碳源,提供能量,另一方面可以調(diào)節(jié)滲透壓。在整個植物組織培養(yǎng)過程中影響細胞分化的關(guān)鍵是生長素和細胞分裂素的使用比例和使用順序。植物組織培養(yǎng)過程中的第一個環(huán)節(jié)是脫分化,外植體經(jīng)脫分化形成愈傷組織。植物組織培養(yǎng)的對象既可以是體細胞也可以是生殖細胞,因此獲得的愈傷組織的基因不一定相同。 答案:D,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,易錯警示植物組織培養(yǎng)易錯點 (1)幼嫩的組織脫分化較為容易,如莖尖、根尖、形成

12、層細胞易脫分化,而植物成熟的組織脫分化則較難。 (2)對外植體要進行消毒處理,對各種器械要徹底滅菌。 (3)植物組織培養(yǎng)中用到的有機碳源一般為蔗糖。 (4)不同細胞的全能性不同,離體細胞的全能性表達與分化程度呈負相關(guān),但生殖細胞特殊。 (5)脫分化形成愈傷組織的過程不需要光,再分化過程需要光。 (6)植物組織培養(yǎng)中不同培養(yǎng)階段培養(yǎng)基含有的激素不同,因為培養(yǎng)的目的不同(生根或生芽)。,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,植物細胞培養(yǎng) 【典例3】 下列關(guān)于植物細胞培養(yǎng)的敘述,不正確的是 () A.植物細胞培養(yǎng)是指在實驗室工廠化生產(chǎn)的條件下,進行懸浮培養(yǎng),從而獲得大量細胞群體的一種技術(shù) B.植物

13、細胞培養(yǎng)是在植物組織培養(yǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 C.植物細胞培養(yǎng)的培養(yǎng)基主要由水、無機營養(yǎng)、有機營養(yǎng)、天然附加物和生長物質(zhì)等組成 D.根據(jù)培養(yǎng)對象不同可分為液體培養(yǎng)和固體培養(yǎng) 解析:植物細胞培養(yǎng)根據(jù)培養(yǎng)對象不同分為體細胞培養(yǎng)、花藥或花粉培養(yǎng)和原生質(zhì)體培養(yǎng),根據(jù)培養(yǎng)基類型的不同分為液體培養(yǎng)和固體培養(yǎng)。 答案:D,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,植物體細胞雜交 【典例4】 科學家利用細胞工程培育出了“白菜甘藍”雜種植株,流程如下圖所示。請據(jù)圖回答下列問題。,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,(1)圖中A、B的制備需要去除細胞壁,此時要用到酶和酶;從本質(zhì)上講,“白菜甘藍”雜種植株具有的

14、性狀是的結(jié)果。 (2)A和B在的方法下形成C細胞,雜種細胞D生成的標志是形成;由D形成E的過程稱為,DF這項技術(shù)的生物學基礎(chǔ)是;由E形成F的過程中細胞的增殖方式為。 (3)若“白菜甘藍”雜種植株為四倍體,則該植株的花粉經(jīng)離體培養(yǎng)得到的植株是倍體,若用秋水仙素處理該花粉培養(yǎng)得到的植株,則培育成的植株是(填“純合子”或“雜合子”)。,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,解析:(1)去除細胞壁常用酶解法,根據(jù)酶的專一性,去除植物細胞壁要用纖維素酶和果膠酶。雜種植株性狀的表現(xiàn)是基因選擇性表達的結(jié)果。(2)C細胞的形成需人工誘導,誘導方法包括物理法和化學法,D細胞形成的標志是再生出新的細胞壁。DE是

15、脫分化,EF為再分化,上述過程中均進行有絲分裂。(3)花粉離體培養(yǎng)得到單倍體,再經(jīng)秋水仙素處理后得到純合的四倍體植株。 答案:(1)纖維素果膠基因選擇性表達 (2)人工誘導新的細胞壁脫分化植物細胞的全能性有絲分裂 (3)單純合子,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,植物細胞工程的應用 【典例5】 下圖為人工種子的培育過程示意圖,請據(jù)圖回答下列問題。,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,(1)人工種子是依據(jù)的原理,經(jīng)過 技術(shù)培育而成的。 (2)包埋胚狀體的膠質(zhì)可以看作是天然種子的。 (3)某二倍體植物基因型為DdTt,采用花藥離體培養(yǎng)的方法培育成的“花粉胚”可制成人工種子,這種種子

16、萌發(fā)形成的個體稱為,基因型為。 (4)表示脫分化過程,其實質(zhì)是使高度分化的細胞恢復的能力;表示再分化的過程,其實質(zhì)是。 (5)從胚狀體的類型上分析,人工種子萌發(fā)長成的植株是否可育?。,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,解析:脫分化的實質(zhì)是使高度分化的細胞恢復分裂和分化的能力,再分化就是使分裂的細胞在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上再次發(fā)生變化,這種變化的實質(zhì)是基因的選擇性表達。 答案:(1)細胞全能性植物組織培養(yǎng) (2)種皮及提供營養(yǎng)的胚乳或子葉 (3)單倍體DT、Dt、dT、dt (4)分裂和分化基因的選擇性表達 (5)理論上若是由花粉(或三倍體植物的營養(yǎng)器官)發(fā)育而來的則不可育,若是由莖尖、根尖等

17、營養(yǎng)器官(三倍體植物除外)發(fā)育而來的則可育,題型一,題型二,題型三,題型四,題型五,方法規(guī)律(1)對植物體細胞雜交和有性雜交的辨析。 植物體細胞雜交:若兩個不同的植物細胞A、B進行融合,A含有2X條染色體,2個染色體組,基因型為Aabb,B含有2Y條染色體,2個染色體組,其基因型為ccDd,則新植株應為四倍體,其體細胞中染色體數(shù)為2X+2Y,基因型為AabbccDd。從中不難看出,體細胞雜交即兩個細胞融合成一個細胞,不管是染色體數(shù)、基因型還是染色體組都采用直接相加的方法。 植物有性雜交的結(jié)果:子代細胞中染色體數(shù)、基因型分別為“X+Y”“AbcD”或“abcD”或“Abcd”或“abcd”,即先

18、減半再相加。 有性生殖過程遵循孟德爾遺傳規(guī)律,而植物體細胞雜交不遵循孟德爾遺傳規(guī)律。 (2)利用植物組織培養(yǎng)生產(chǎn)細胞產(chǎn)物時,有時只需將外植體培養(yǎng)到愈傷組織,從愈傷組織中獲取產(chǎn)物。,1,2,3,4,5,1.下列對細胞全能性的敘述,正確的是() A.離體的植物細胞均能夠表現(xiàn)出全能性 B.植物細胞融合標志著植物細胞全能性的實現(xiàn) C.花粉可培育成單倍體植株是細胞全能性的表現(xiàn) D.植物體中只有體細胞才具有全能性 解析:離體的植物細胞要表現(xiàn)出全能性,需要合適的培養(yǎng)條件、營養(yǎng)物質(zhì)及有關(guān)激素。植物細胞融合的結(jié)果是形成一個雜種細胞,并未形成新個體,所以不能體現(xiàn)植物細胞的全能性。理論上,植物體中任何一個含有該生物

19、全部遺傳信息的細胞都具有全能性。 答案:C,6,1,2,3,4,5,2.植物組織培養(yǎng)依據(jù)的原理、培養(yǎng)過程的順序及起誘導作用的植物激素分別是() 細胞的全能性離體的植物器官、組織或細胞 根、芽生長素和細胞分裂素生長素和乙烯 愈傷組織再分化脫分化植物體 A.、和B.、和 C.、和D.、和 解析:植物組織培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)是細胞的全能性,其培養(yǎng)過程中是先進行脫分化,然后再進行再分化。生長素和細胞分裂素是植物組織培養(yǎng)中不可缺少的特殊添加物,在培養(yǎng)的不同時期兩者的比例不同。 答案:A,6,1,2,3,4,5,3.下列有關(guān)植物體細胞雜交的敘述,不正確的是() A.用酶解法去掉細胞壁,分離出有活力的原生質(zhì)體 B

20、.誘導兩種植物的原生質(zhì)體融合,進而形成雜種細胞 C.植物體細胞雜交的最終目的是獲得細胞代謝產(chǎn)物 D.植物體細胞雜交技術(shù)可以克服不同物種間遠緣雜交不親和的障礙 解析:植物體細胞雜交的目的是獲得雜種植株。植物體細胞雜交不經(jīng)過有性生殖過程,所以可以克服遠緣雜交不親和的障礙。 答案:C,6,1,2,3,4,5,4.以下為植物體細胞雜交技術(shù)流程圖,其中甲和乙分別表示兩種二倍體植物細胞,所含有的染色體組分別是AA和BB。據(jù)圖分析不正確的是() A.圖中過程發(fā)生的化學變化是纖維素和果膠的水解 B.經(jīng)過和過程形成的c細胞只有AABB這一種類型 C.過程一般使用聚乙二醇作為誘導劑 D.過程和分別是脫分化和再分

21、化 解析:將若干a細胞和b細胞等量混合后轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)基上培養(yǎng),經(jīng)過細胞融合,c的細胞類型包括沒有融合的細胞、相同細胞的融合和不同細胞的融合,即AA、BB、AAAA、BBBB、AABB。 答案:B,6,1,2,3,4,5,5.下圖表示胡蘿卜的韌皮部細胞通過無菌操作接入試管后,在一定的條件下形成試管苗的培育過程。請據(jù)圖回答下列問題。 (1)要促進細胞分裂和生長,培養(yǎng)基中應有營養(yǎng)物質(zhì)和激素,其中營養(yǎng)物質(zhì)包括和小分子有機物,激素包括細胞分裂素和兩類。 (2)此過程依據(jù)的原理是。A和B階段細胞的分裂方式是,B階段除了細胞分裂外,還進行細胞等。 (3)B階段需要光照,原因是。 (4)試管苗的根細胞沒有葉綠

22、素,而葉的葉肉細胞具有葉綠素,這是基因的結(jié)果。,6,1,2,3,4,5,解析:植物組織培養(yǎng)是將離體的植物組織、器官或細胞接種到經(jīng)滅菌的培養(yǎng)基中,培養(yǎng)基含有組織細胞生長發(fā)育所需要的無機物和小分子有機物,還有可調(diào)節(jié)細胞生長和分化的細胞分裂素和生長素。由外植體發(fā)育成試管苗的過程中,脫分化階段細胞進行有絲分裂,再分化階段愈傷組織經(jīng)細胞有絲分裂和分化形成試管苗,此階段需要光照,原因是葉肉細胞中葉綠素的合成需要光照。 答案:(1)無機物生長素 (2)植物細胞的全能性有絲分裂分化 (3)芽發(fā)育成葉時,葉肉細胞中葉綠素的合成需要光照 (4)選擇性表達,6,1,2,3,4,5,6,6.醫(yī)學研究發(fā)現(xiàn)紫杉醇能有效治

23、療某些癌癥。獲得紫杉醇的傳統(tǒng)方法是從紅豆杉屬植物的樹皮中提取,但產(chǎn)量有限,也不利于瀕危植物紅豆杉的保護。研究發(fā)現(xiàn),紅豆杉的其他組織細胞也能產(chǎn)生紫杉醇,有人嘗試用植物細胞工程技術(shù)生產(chǎn)。下圖為三種紅豆杉細胞培養(yǎng)過程中細胞數(shù)量(用干重表示)、紫杉醇含量隨培養(yǎng)時間的變化。請回答下列問題。,1,2,3,4,5,6,(1)據(jù)圖分析,獲得高產(chǎn)紫杉醇應選紅豆杉為原料,培養(yǎng)后期紫杉醇含量出現(xiàn)下降的原因包括等。 (2)將紅豆杉細胞經(jīng)組織培養(yǎng)形成后方可接種到培養(yǎng)基中。 (3)利用組織培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)與傳統(tǒng)方法提取紫杉醇相比,前者具有 (至少答出兩點)優(yōu)點。,1,2,3,4,5,6,解析:(1)由紫杉醇含量數(shù)據(jù)圖可知云南紅豆杉產(chǎn)量最高。隨著培養(yǎng)時間的加長,培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)減少,某些有害代謝產(chǎn)物積累,使活細胞數(shù)量減少,從而使紫杉醇產(chǎn)量下降。 (2)本題中培養(yǎng)的目的是獲得細胞產(chǎn)物,所以培養(yǎng)到愈傷組織即可。 (3)利用組織培養(yǎng)獲取紫杉醇,產(chǎn)量高,不會影響紅豆杉的生長,節(jié)約資源,有利于對瀕危物種的保護且不會對環(huán)境造成破壞。 答案:(1)云南活細胞數(shù)量減少,某些有害代謝產(chǎn)物積累 (2)愈傷組織 (3)產(chǎn)量高、節(jié)約資源、有利于對瀕危物種的保護、保護環(huán)境等,