1、第第 1 节节 植物细胞工程植物细胞工程 第第 1 课时课时 植物细胞工程的基本技术植物细胞工程的基本技术 目标导读 1.结合教材 P47图 32 和实验内容，掌握植物组织培养技术。2.分析教材 P49图 33，理解植物体细胞杂交技术。 重难点击 1.细胞全能性的含义及其在植物组织培养中的应用。2.植物组织培养技术。3. 植物体细胞杂交技术。 “春风欲擅秋风巧，催出幽兰继落梅”，素有“天下第一香”之称的兰花，以其优美高雅的 叶片和芳香艳丽的花朵，成为自古以来文人墨客吟诗作赋的对象。但是，兰花在自然条件下 播种繁殖的难度很大， 需要较长时间才能获得少量幼苗。 如何才能满足人们对兰花的需求呢？ 科
2、学家在细胞全能性的理论基础上发现了兰花快速繁殖的技术植物组织培养。植物组织 培养是植物细胞工程的核心技术，植物细胞工程的基本技术还有哪些？又在哪些方面得到了 应用呢？ 一、植物组织培养技术 1.理论基础 植物细胞的全能性，其含义是具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完 整生物体的潜能。 2.技术类型 (1)植物的细胞培养：对选定的植物细胞进行培养，主要的方法是细胞悬浮培养，是植物体细 胞杂交、植物细胞核移植、显微注射和细胞代谢产物大规模生产等技术的基础。 (2)原生质体培养：利用纤维素酶和果胶酶去除植物的细胞壁，可以获得原生质体，原生质体 培养是植物体细胞杂交和显微注射技术的基
3、础。 (3)花粉和花药培养：快速选育出稳定遗传的植株。 (4)植物离体胚培养：分为幼胚培养和成熟胚培养，常用于挽救远缘杂交的种子幼胚。 3.实验：小麦种胚的组织培养 (1)实验原理 在特定的营养和激素条件下，小麦的种胚可以脱分化形成愈伤组织，然后再分化生成幼苗， 进而发育成完整的小麦植株。 (2)方法步骤 将小麦种子在水中浸泡过夜，在超净工作台上用次氯酸钠溶液处理 30 min 后，立即用无菌 水清洗 23 次。剥离种胚，接种到培养基上，封盖培养瓶口。 将培养瓶置于 23 26 恒温箱中避光培养，获得愈伤组织。 将生长状态良好的愈伤组织转接到分化培养基上， 置于 23 26 的恒温箱中光照培养
4、， 获得幼苗。 当幼苗生长到 34 cm 时，转接到生根培养基上，继续光照培养。 对幼苗进行 7 d 炼苗处理，然后移栽到土壤中。 4.植物组织培养的概念 在无菌和人工控制的条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上， 给予适宜的培养条件，最终诱导产生愈伤组织、丛芽或完整的植株。 以下是利用胡萝卜的组织进行植物组织培养的过程，请分析： 1.分别表示什么过程？ 答案 脱分化、再分化。 2.在植物组织培养过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？ 答案 防止杂菌污染。杂菌能在培养基上迅速生长消耗营养，且有些杂菌会危害培养物的生 长。 3.若培养物取自植物的幼茎、
5、叶片等含有叶绿体的部位，愈伤组织中是否会含有叶绿体？ 答案 培养物经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化的细胞，故愈伤组织中 不会含有叶绿体。 4.植物组织培养中的脱分化阶段，培养的组织细胞是自养型还是异养型？为什么？ 答案 脱分化过程中细胞营异养生活，因为此时细胞没有叶绿体，并且一般要避光培养，无 法进行光合作用。 1.如图所示为胡萝卜的韧皮部细胞通过无菌操作接入试管后，在一定的条件下，形成试管苗 的培育过程。请据图回答下列问题： (1)要促进细胞分裂生长，培养基中应有营养物质和激素。营养物质包括_和小分子 有机物，激素包括细胞分裂素和_两类植物激素。 (2)此过程依据的原理是_。
6、 A 和 B 阶段主要进行的分裂方式是_ _， B 阶段除了细胞分裂外，还进行细胞_等。 (3)此过程要无菌操作，主要是指对_进行灭菌消毒。B 阶段需要光照，原因是 _ _。 (4)试管苗的根细胞没有叶绿素，而叶肉细胞具有叶绿素，这是基因_的结果。 答案 (1)无机物 生长素 (2)细胞的全能性 有丝分裂 分化 (3)培养基 芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件 (4)选择性表达 解析 图中 A 为脱分化过程，B 为再分化过程。A 过程需避光培养，B 过程需光照培养。 题后归纳 植物组织培养的注意事项 (1)实验成功的关键是避免微生物污染，所有实验用具需严格灭菌，确保实验过程无菌操作
7、。 (2)培养基中必须含有植物生长所必需的全部营养，如矿质元素、糖、维生素等。 (3)离体的植物细胞、组织和器官脱分化形成愈伤组织时，需避光培养；再分化时，却要在光 照条件下进行。 (4)再分化过程是先进行生芽培养，再进行生根培养。 (5)植物激素，特别是生长素和细胞分裂素的配比对器官的发生具有一定的影响。比值高时， 有利于根的分化，抑制芽的形成；比值低时，有利于芽的分化，抑制根的形成；比值适中时， 促进愈伤组织的生长，不分化。 二、植物体细胞杂交技术 1.概念 植物体细胞杂交就是将不同种的植物体细胞原生质体在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂 种细胞培育成完整植物体的技术。 2.原理：细胞膜的
8、流动性和植物细胞的全能性。 3.过程 (1)用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁，制备原生质体。 (2)诱导原生质体融合：方法有物理法和化学法两大类。物理法包括离心、振动、电刺激等； 化学法一般用聚乙二醇(PEG)诱导。 (3)杂种细胞再生出细胞壁的过程，这是原生质体融合成功的标志。 (4)进行植物组织培养，获得杂种植株。 4.优点：克服远缘杂交不亲和的障碍，大大扩大了可用于杂交的亲本组合范围。 5.未解决的问题：还不能让杂种植物按人们的要求表现出亲代的性状。 6.植物细胞工程的概念 利用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，以植物细胞为基本单位进行培养增殖或按照人 们的意愿来改造细胞的某些生物学特征，
9、从而获得细胞产品的一门综合技术。 下图是两种植物进行植物体细胞杂交的过程，请分析： 1.将来自不同植物的两个体细胞融合时，首先遇到的障碍是什么？怎样解除此障碍？ 答案 细胞壁阻碍细胞间的融合。用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。 2.将两个不同种的植物细胞 A 和 B 去除细胞壁后，经一定的方法促融，常用的化学促融剂是 什么？如果只考虑两两融合，可以形成几种融合细胞？哪种融合细胞才是符合要求的？ 答案 聚乙二醇；三种(AA、BB、AB)，AB 融合细胞才是符合要求的。 3.杂种植物在遗传上有何特点？从染色体组成上看杂种植株的变异属于哪一种？ 答案 遗传物质来自两个亲本，具有双亲的遗传性状。染色体数目
10、变异。 4.与传统有性杂交相比，植物体细胞杂交技术的优点是什么？ 答案 克服了植物远缘杂交不亲和的障碍，打破了物种之间的生殖隔离。 2.如图为“番茄马铃薯”的培育过程示意图，有关叙述正确的是( ) A.获得 a、b 细胞需要胰蛋白酶和果胶酶 B.诱导 a、b 细胞融合的化学试剂一般用秋水仙素 C.a、b 细胞融合为 c 细胞的原理是生物膜具有流动性 D.d、e、f 过程表示植物的组织培养过程，e、f 分别为脱分化和再分化 答案 C 解析 植物体细胞在杂交之前，必须先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，获得具有活力的 原生质体；诱导 a、b 细胞融合的化学试剂一般用聚乙二醇；a、b 细胞融合为 c
11、细胞的原理 是细胞膜的流动性；d、e 分别为脱分化和再分化。 知识拓展 体细胞杂交过程中涉及的遗传知识 (1)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，应属于无性生殖，变 异类型应是染色体数目的变异，但由于含有两个亲本的遗传物质，因此具有两个亲本的遗传 性状。 (2)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采用直接相 加的方法。 植物 细胞 工程 的基 本技 术 理论基础：细胞的全能性 常用技术 植物组织培养：离体的细胞、组织和器官 脱分化愈伤组织 再分化根、芽或胚 状体 植物个体 植物 体细 胞杂 交 过程：两个植物细胞 纤维素酶、 果胶酶 原生
12、质体 电刺激或 聚乙二醇原生质 体融合 再生 细胞壁杂种细胞 脱分化愈伤组织 再分化 杂种植株 意义：克服了远缘杂交不亲和 的障碍，大大扩展了可用于 杂交的亲本组合范围 1.下列哪种细胞的全能性最容易得到表达( ) A.青蛙的皮肤细胞 B.胡萝卜的韧皮部细胞 C.小白鼠的肝脏细胞 D.胡萝卜的形成层细胞 答案 D 解析 细胞分化程度越低，全能性越容易表达，青蛙的皮肤细胞和胡萝卜的韧皮部细胞都是 高度分化的细胞，小白鼠的肝脏细胞和胡萝卜的形成层细胞都具有分生能力，但植物细胞的 全能性比动物细胞更容易表达，故胡萝卜的形成层细胞的全能性最容易表达。 2.如图为植物组织培养过程，有关说法不正确的是(
13、) A.b 试管中细胞全能性最高 B.d 试管中培育出的个体都是纯合体 C.ab 的过程不需要光照 D.ad 的细胞分裂方式都是有丝分裂 答案 B 解析 试管中的试管苗来源相同，都是通过植物组织培养发育而成的，植株的基因型相同， 但不一定是纯合体。 3.植物细胞表现出全能性的必要条件和增殖方式是( ) A.脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件；减数分裂 B.导入其他植物细胞的基因；有丝分裂 C.将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内；减数分裂 D.脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件；有丝分裂 答案 D 解析 植物细胞表现全能性的条件：细胞离体和适宜的外界条件；一定的营养(无机、有 机成分)和
14、植物激素。植物细胞经组织培养形成植物体的过程，包括脱分化和再分化两个重要 的步骤，在这两个过程中细胞都是通过有丝分裂方式进行增殖的，故选 D。 4.A 种植物细胞(基因型为 Aa)、B 种植物细胞(基因型为 Bb)去掉细胞壁后，诱导两种细胞的 原生质体融合，形成单核的杂种细胞。则经过组织培养得到的杂种植株是( ) A.二倍体，基因型为 AaBb B.二倍体，基因型为 AAaaBBbb C.四倍体，基因型为 AaBb D.四倍体，基因型为 AAaaBBbb 答案 C 5.如图表示植物组织培养过程，请回答下列问题： (1)图中过程获得的细胞是正常植物体经_形成的，在这一过程中的染色体的变化 是_
15、_。 (2)要顺利完成过程，除了需要各种无机营养物质外，还需要在培养基中加入 _、_(两类不同功能的物质)。该过程形成的细胞与正常体细胞相 比，具有_的特点。 (3)从过程的结果看，它的本质是_。 (4)某人在探究细胞脱分化和再分化的实验中，得到了如下结果： 只有细胞分裂素时，组织块产生愈伤组织 细胞分裂素生长素时，愈伤组织不分化 细胞分裂素生长素时，愈伤组织分化出芽 细胞分裂素生长素时，愈伤组织分化出根 由实验结果，你能得出什么结论？ _ _ _。 答案 (1)减数分裂 染色体复制一次，细胞分裂两次，子细胞中染色体数目是亲代细胞的一 半 (2)有机营养物质 植物激素 排列疏松、高度液泡化、细胞壁薄 (3)基因在特定的时间 和空间条件下选择性表达的结果(4)植物激素的种类和含量不同，对愈伤组织的形成和分化的 影响不同