1、第一节第一节 细胞工程概述细胞工程概述 学习导航 1.结合教材 P45，了解细胞工程的发展历程。2.简述细胞工程的基本技术。 重难点击 细胞工程的基本技术。 方式一 “君子”兰的快速繁殖 “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？这些基本技术的一般
2、操作程序是怎样的？让我们通过本节来学习探讨吧！ 方式二 山东省金乡县是全国闻名的大蒜之乡。该县农科所与中国农科院联合成功开发和培 育出的品质好、产量高的新品种脱毒大蒜，是植物细胞工程的又一成果。什么是细胞工 程？细胞工程是如何发展起来的？包括哪些基本技术？在哪些方面得到了应用？ 一、细胞工程的发展和基本技术一、细胞工程的发展和基本技术 1细胞工程的发展 时间 人物 事件 1907 年 哈里森 开创了动物细胞培养的先河 1937 年 高特里特等 首次成功进行植物组织培养 1972 年 卡尔逊等 获得世界上第一个体细胞杂交植株 1996 年 韦尔穆特等 首次克隆出绵羊“多莉” 2.细胞工程的基本技
3、术 (1)细胞工程的概念 应用原理：细胞生物学和分子生物学。 操作水平：细胞水平或细胞器水平。 操作目的：按照人的意愿去改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品。 (2)细胞工程的分类 根据操作对象不同，分为植物细胞工程和动物细胞工程等。 根据所使用技术不同，分为植物组织培养技术、细胞融合技术和细胞核移植技术等。 3植物组织培养技术 (1)细胞的全能性：具有某物种全套遗传物质的细胞都具有发育成为一个新的生物个体的潜能。 (2)植物组织培养技术概念分析 条件：a.无菌和人工培养；b.离体。 过程：a.脱分化；b.再分化。 目的：a.获得细胞产品；b.形成完整的植株。 (3)原理：细胞全能性。 (4)最
4、常用的材料：茎尖、根尖、幼嫩的叶片和花药等。 (5)过程 1分析下述资料，回答相关问题： 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，最终发育成完整的新植株(如图所示)。 (1)这一科学实验能证明什么？ 答案 证明胡萝卜韧皮部细胞具有全能性。 (2)理论上每种植物的活细胞都具有全能性，原因是什么？ 答案 正常的植物细胞具有发育成该物种个体所需的全部遗传物质。 (3)配子(卵和精子)中染色体数比正常体细胞减少了一半，配子是否还有全能性？为什么？ 答案 有。因为体细胞中染色体成对存在，配子中染色体数虽减半，但仍含有完整的染色体 组，具有控制生物性
5、状的全部基因。 2细胞全能性大小分析 (1)受精卵和体细胞相比，哪一个的全能性更容易体现？为什么？ 答案 受精卵。受精卵可以在自然条件下发育成新个体。 (2)分析下列实例是否体现了细胞的全能性并给出原因。 植物花药离体培养获得植株。 答案 是。花药离体培养获得单倍体植株，体现了花药细胞的全能性。 利用植物细胞培养技术生产细胞产物如紫草素。 答案 否。发育成完整生物个体才能体现细胞的全能性，而生产紫草素等细胞产物只是将紫 草细胞等培养成愈伤组织。 种子培育成植株。 答案 否。种子的胚已是新植物的幼体，其发育成完整植株的过程相当于植物长大。 3以下是植物组织培养的过程，试回答相关问题： (1)分别
6、是什么过程？ 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 避免杂菌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、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。 4培养基中的激素配比 (1)植物组织培养所用的
7、培养基中，在脱分化和再分化过程中起关键作用的激素是什么？ 答案 生长素和细胞分裂素。 (2)生长素与细胞分裂素的比值高低对植物组织培养的影响不同，探讨比值不同时所产生的影 响。 比值 作用影响 高 促进根分化、抑制芽形成 低 促进芽分化、抑制根形成 适中 促进愈伤组织形成 5.植物组织培养的结果 为什么说从繁殖方式上看，植物组织培养的繁殖方式是无性繁殖？ 答案 植物组织培养是在细胞有丝分裂和细胞分化的基础上实现的，此过程并没有生殖细胞 的产生，所以是无性繁殖。 归纳总结 (1)植物组织培养过程 培养条件：无菌和人工培养；离体。 过程：脱分化；再分化。 目的：获得细胞产品；形成完整的植株。 脱分
8、化和再分化的比较 名称 过程 形成体特点 脱分化 离体细胞愈伤组织 排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞团 再分化 愈伤组织幼根和芽或胚状体 有根、芽或有生根发芽的能力 (2)生长素和细胞分裂素用量及比例对植物组织培养的影响：“比值高，根分化；比值低，芽 分化；比值适中，不分化”。即“高根低芽中愈伤”。 1植物细胞的全能性是指( ) A具有核、膜、质，细胞结构完整，能进行各种生理活动 B只具有膜和质，同样能进行各种生理活动 C植物体细胞所具有的发育成完整个体的潜能 D具有本物种全套遗传物质的特定细胞 答案 C 解析 具有某种植物全套遗传信息的任何一个细胞，都有发育成完整新植物体的潜能，也就 是说，每
9、个植物的活细胞都具有全能性。 2下列有关细胞全能性的叙述中，不正确的是( ) A受精卵在自然条件下能形成完整个体，因此全能性最高 B生物体内细胞由于分化，全能性不能表达 C卵细胞与受精卵一样，细胞未分化，全能性很高 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 受精卵发育成完整个体的能力最强， 全能性最高， A 正确； 生物体内的细胞由于分化， 基因在不同的细胞中选择性表达，因而体内细胞并没有表达出全能性，B 正确；卵细胞是高 度分化的细胞，C 错误；离体的植物细胞可以通过组织培养表达出全能性，D 正确。 易错易混 明辨植物细胞全能性的 2 个易误点 (1)植物的种子发育成完整
10、植株， 不能体现细胞的全能性。 因为种子中的胚已完成了早期发育， 相当于新植物的幼体，而没有体现出细胞具有发育成完整植物体的潜能。 (2)细胞表达全能性的标志是发育成完整个体而不是形成某种组织或者器官。 3下列属于植物组织培养的是( ) A花粉培养成单倍体植株 B芽发育成枝条 C根尖分生区发育为成熟区 D受精卵发育成植株 答案 A 解析 将花粉培养成单倍体植株，即花药离体培养，属于植物组织培养，A 正确；芽发育成 枝条是自然生长过程，不属于植物组织培养，B 错误；根尖分生区发育为成熟区是自然生长 过程，不属于植物组织培养，C 错误；受精卵是个体发育的起点，发育成植株属于自然生长 过程，不属于植
11、物组织培养，D 错误。 4下图表示四倍体兰花叶片通过植物组织培养形成植株的过程，下列相关叙述中正确的是 ( ) 四倍体兰花叶片 愈伤组织 胚状体 植株 A和阶段会发生减数分裂 B阶段需生长素而阶段需细胞分裂素 C阶段有细胞增殖但无细胞分化 D此兰花的花药离体培养所得植株为二倍体 问题导析 (1)图中是脱分化，、是再分化。和阶段会发生有丝分裂。 (2)阶段和阶段都需要生长素和细胞分裂素，只是二者比例不同。 (3)此兰花的花药离体培养所得植株为单倍体。 答案 C 二、细胞融合技术和细胞核移植技术二、细胞融合技术和细胞核移植技术 1细胞融合技术 (1)概念：采用自发或人工的方法使两个或多个细胞融合为
12、一个细胞的技术。 (2)促融合方法：生物法(如病毒诱导融合法)、化学法(如聚乙二醇诱导融合法)、物理法(如电 场诱导融合法)等。 (3)基本流程：在促融合因子的作用下，细胞膜发生粘连、破裂细胞质发生融合发生核融 合形成杂种细胞。 (4)应用：“白菜甘蓝”的培育过程 去除细胞壁的酶解法中用到的酶是纤维素酶和果胶酶。 植物体细胞杂交完成的标志是新细胞壁的形成。 植物体细胞杂交过程中还用到的细胞工程技术有植物组织培养技术。 植物体细胞杂交的最大突破是克服了不同植物之间的杂交屏障，实现远缘物种之间的核质 组合。 2细胞核移植技术 (1)概念：把一个动物细胞的细胞核移入一个已经去除细胞核的卵母细胞中，使
13、其重组并发育 为一个新的胚胎，最终发育为一个动物个体的技术。 (2)常用方法：显微操作技术。 1植物体细胞杂交的原理和过程 (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，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 三种(AA、BB、AB)。AB 融合细胞才是符合要求的。 (3)杂交过程中细胞融合及杂交完成的标志分别是什么？ 答案 杂种细胞再生出细胞壁；培育成杂种植株。 (4)植物体细胞杂交过程体
14、现了哪些原理？ 答案 植物体细胞杂交实现的基础：细胞膜的流动性；植物组织培养的基础：植物细胞 的全能性。 2杂交的结果和意义 (1)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。染色体数目变异。 (2)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。 归纳总结 (1)植物体细胞杂交过程 步骤 图解 方法 原生质体 的获得 酶解法(纤维素酶、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
15、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 (2)细胞工程能够在不同生物之间进行物种间的杂交，形成前所未有的新物种。 (3)细胞工程的所有实验都要求在无菌条件下进行，常用的措施有：用紫外线、化学试剂对实 验室消毒，使用超净工作台，生物材料要彻底的消毒，实验用的器械、器皿等应进行灭菌。 5下图为“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 细胞需要用胰蛋白酶和果胶酶处理 B诱导 a、b 细胞融合的化学试剂一般用秋水仙素 Ca、b 细胞融合为 c 细胞的原理是生物膜具有流动性 Dd、e、f 过程表示植物的组织培养过程，e、f 分别为脱分
16、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；a、b 细胞融合为 c 细胞的原理是细胞膜的流动性；诱导 a、b 细胞融合的化学试 剂一般是聚乙二醇；d、e 分别为脱分化和再分化。 6A 种植物细胞(基因型为 Aa)和 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 解析 杂种植株为四倍体，基因型为
17、AaBb。 拓展提升 植物体细胞杂交后的植物染色体组数 (1)染色体组数目A、B 两个细胞内染色体组数之和。 (2)植物体细胞杂交后的植物，有几个染色体组就称为几倍体。例如，二倍体白菜和二倍体甘 蓝体细胞杂交得到的白菜甘蓝有四个染色体组，为四倍体。 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人皮肤的生发层细胞 答案 B 解析 细胞分化程度越高，全能性越低，皮肤细胞和生发层细胞是高度分化的细胞，全能性 较低；动物细胞实现全能性的能力比植物细胞低，所以全能性最高的细胞是胡萝卜的韧皮部 细胞。 2如图为植物组织培养过程，有关说法不正确的
18、是( ) Ab 试管中细胞全能性最高 Bd 试管中培育出的个体都是纯合子 Cab 的过程不需要光照 Dad 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， 但不一定是纯合子。 3(2017 陕西黄陵中学高二下期中)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
19、养(无机、有 机成分)和植物激素。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植株甲是二倍体水稻，利用植株甲获得了植株乙，而后利用植株甲和乙又获得了植株丙和 丁。培养过程如图所示。下列有关叙述正确的是( ) A用秋水仙素处理植株甲的雌蕊柱头可获得植株乙 B植株丙与植株丁的体细胞中染色体组的数目相同 C植株甲与植株乙正交和反交所得种子的胚乳的基因型不同 D获得植株丙和植株丁的过程都属于有性繁殖 答案 C 解析 用秋水仙素处理植株甲萌发的种子或幼苗可得到植株乙；图示植株丙体细胞中染色体 组数应为 3，而植株
20、丁体细胞中染色体组数应为 6；获得植株丙的过程为有性繁殖，获得植株 丁的过程为无性繁殖。 5科学家利用细胞工程培育了“白菜甘蓝”杂种植株，如图所示，请据图回答下列问题： (1)由 D 形成 F 过程所依据的原理是_， 从本质上讲， “白菜甘蓝”杂种植 株具有的性状是_的结果。 (2)若“白菜甘蓝”杂种植株为四倍体，则该植株的花粉经离体培养得到的植株是_ 倍体。 (3)“白菜甘蓝”杂种植株的食用部分是叶，但叶又易受昆虫危害而影响产量，科学家又利 用基因工程培育出带有抗虫基因的“白菜甘蓝”植株，请你设计实验，检测此植株的抗虫 基因是否表达。 取昆虫幼虫放到带有抗虫基因的“白菜甘蓝”植株甲上，再取等量生活状态基本一致的 昆虫幼虫放在_植株乙上。 适宜条件下培养一段时间后，分别观察_ 的生活情况。 若_， 说明甲植株的抗虫基因未得到表达；若_ _，说明甲植株的抗虫基因得到表达。 答案 (1)细胞的全能性 基因选择性表达 (2)单 (3)长势相似的普通“白菜甘蓝” 昆虫幼虫 甲、乙植株上昆虫幼虫均正常生活 甲植株上昆虫幼虫死亡，乙植株上昆虫幼虫正常生活 (、其他答案合理即可) 解析 (1)DF 的过程说明细胞具有全能性，杂种植株具有的性状是基因选择性表达的结果。 (2)凡是由未受精的配子发育而成的个体都是单倍体。(3)应注意实验设计的对照原则、等量原 则及单一变量原则。
