高考生物总复习第10单元第37课植物细胞工程学案

第37课　植物细胞工程

►学业质量水平要求◄

1．通过实例分析，理清植物细胞工程的基本原理。(生命观念)

2．通过对植物细胞工程的基本操作流程的学习，培养模型构建能力。(科学思维)

3．针对人类生产生活需求，尝试提出初步的工程学构想，进行简单的设计和制作。(科学探究)

考点一　植物细胞工程的基本技术

1．细胞工程的理论基础——细胞的全能性

(1)细胞全能性的概念：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。

(2)在生物体内全能性不能表达的原因：在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会有选择性地表达出各种蛋白质，从而构成生物体的不同组织和器官。

2．植物组织培养技术

(1)概念理解

①培养对象：离体的植物器官、组织或细胞。

②培养条件：无菌、人工配制的培养基、相关激素等。

③培养结果：形成完整的植株。

(2)原理：植物细胞具有全能性。

(3)操作流程

→→→→

(4)操作实例——菊花的组织培养

3．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)原理：体细胞杂交利用了细胞膜的流动性，杂种细胞培育成杂种植株利用了植物细胞的全能性。

(3)操作过程

(4)意义：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。

1．植物组织培养必须将外植体培养在天然培养基上诱导产生完整个体。 (　×　)

2．在植物组织培养过程中需要给予光照，以诱导脱分化过程。 (　×　)

3．植物体细胞杂交技术的最终目的是得到杂种细胞。 (　×　)

4．实验中使用的培养基和所有的器械都要消毒。 (　×　)

5．利用物理法或化学法，可以直接将两个植物细胞进行诱导融合。 (　×　)

1．植物组织培养与植物细胞培养的比较

2．植物体细胞杂交与植物有性杂交中遗传物质的变化

设白菜细胞含2x条染色体，2个染色体组；甘蓝细胞含2y条染色体，2个染色体组。

考向1| 植物组织培养过程的判断

1．(2021·江苏卷)植物组织培养技术常用于商业化生产。其过程一般为：无菌培养物的建立→培养物增殖→生根培养→试管苗移栽及鉴定。下列相关叙述错误的是(　　)

A．为获得无菌培养物，外植体要消毒处理后才可接种培养

B．组织培养过程中也可无明显愈伤组织形成，直接形成胚状体等结构

C．提高培养基中生长素和细胞分裂素的比值，有利于诱导生根

D．用同一植株体细胞离体培养获得的再生苗不会出现变异

D　解析：植物组织培养过程中应注意无菌操作，为获得无菌培养物，外植体要经过表面消毒处理后，才能进行培养，所用的培养基必须彻底灭菌，A正确；组织培养过程中也可无明显愈伤组织形成，直接形成胚状体等结构，B正确；生长素和细胞分裂素的比值高时，有利于根的分化、抑制芽的形成，因此提高培养基中生长素和细胞分裂素的比值，有利于诱导生根，C正确；用同一植株体细胞离体培养获得的再生苗会出现变异，如在愈伤组织的培养过程中可能发生基因突变等变异，D错误。

2．(2021·山东临沂联考)下图①②③代表通过植物组织培养技术培育新植株的三条途径，有关叙述正确的是(　　)

A．外植体a、b、c来自同一植株的不同部位，它们的全能性表达难易程度一般相同

B．A1是愈伤组织，特点是排列疏松、有特定形态结构、高度液泡化的薄壁细胞

C．将含B1的试管放在摇床上，通过固体培养可以分散成单细胞，B3为胚状体

D．不同来源的C1可通过原生质体融合形成重组细胞后，培养获得具有特定性状的新植株

D　解析：外植体a、b、c来自同种植株，由于根、芽、茎细胞的分化程度一般不同，因此外植体a、b、c的全能性表达难易程度一般不同，A错误；A1是愈伤组织，愈伤组织的细胞排列疏松而无规则，是一种高度液泡化的无定形状态的薄壁细胞，B错误；B1用到摇床，因此需要用液体培养基，通过液体悬浮培养可以将愈伤组织分散成单细胞，再发育成胚状体，形成植株，C错误；不同来源的原生质体可以通过原生质体融合技术将它们的遗传物质组合在一起，获得再生植株，培育新品种，D正确。

【易错提醒】

植物组织培养过程中的无菌技术包括培养环境、培养基、培养器械的消毒灭菌和植物材料(外植体)的消毒。对培养材料进行表面消毒时，一方面要考虑药剂的消毒效果；另一方面要考虑植物材料的耐受能力。不同药剂、不同植物材料，甚至不同器官要区别对待。

考向2| 植物体细胞杂交的过程分析

3．甲品种青花菜具有由核基因控制的多种优良性状，另一远缘植物乙的细胞质中存在抗除草剂基因，欲将乙细胞质中的抗性基因引入甲中。相关叙述错误的是(　　)

A．过程A中取顶芽细胞进行体细胞杂交有利于获得脱毒苗

B．过程B中常用PEG诱导原生质体融合

C．过程C中只有融合细胞活性部位互补，具有完整的细胞结构，才可以正常生长

D．操作过程中生物材料、培养基、培养环境都要严格的灭菌

D　解析：顶端分生组织几乎不带毒，因此，过程A中取顶芽细胞进行体细胞杂交有利于获得脱毒苗，A正确；过程A可使用纤维素酶和果胶酶处理植物细胞获得原生质体，过程B可使用聚乙二醇促融，B正确；过程C中只有融合细胞活性部位互补，具有完整的细胞结构，才可以正常生长，然后将获得的杂种细胞进行组织培养获得杂种植株，C正确；操作过程中生物材料、培养环境都要严格的消毒，而培养基需要经过高压蒸汽灭菌，D错误。

4．(2021·湖北恩施模拟)植物体细胞杂交过程中，细胞融合的方式有对称融合和非对称融合。对称融合是将两个物种的两个完整的原生质体融合在一起，由于有用基因和不利基因共处于一个杂种中，往往需要多次回交才能除去其中的不利基因。非对称融合是将一个物种的含部分染色体的原生质体与另一个物种的一个完整原生质体融合在一起，可以较好地减少不利基因的重组，所得杂种只需较少次数的回交就可以达到改良作物的目的。下列相关叙述错误的是(　　)

A．植物体细胞杂交可以克服有性杂交的不亲和性，打破物种之间的生殖隔离

B．植物对称融合方式中两个植物细胞完成融合的标志是两个细胞核融合形成一个细胞核

C．在非对称融合过程中，可以利用物理射线、化学试剂等方式去除部分染色体

D．在进行植物体细胞杂交之前，必须先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁

B　解析：植物体细胞杂交的意义在于可以克服有性杂交的不亲和性，打破物种之间的生殖隔离，A正确；两个植物细胞完成融合的标志是融合细胞再生出细胞壁，B错误；非对称融合是将一个物种的含部分染色体的原生质体与另一个物种的一个完整原生质体融合在一起，用物理射线、化学试剂等均可以诱导染色体数目发生变化，C正确；植物细胞壁的成分主要是纤维素和果胶，在进行植物体细胞杂交之前，必须用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，D正确。

考点二　植物细胞工程的应用

1．植物繁殖的新途径

(1)快速繁殖：用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。

(2)作物脱毒：选取作物无毒组织(如茎尖)进行组织培养，获得脱毒苗的技术。

2．作物新品种的培育

(1)单倍体育种

①原理：染色体变异。

②过程：花药离体培养―→单倍体植株纯合子植株。

③优点

a．后代是纯合子，能稳定遗传。

b．明显缩短了育种年限。

(2)突变体的利用

①产生原因：在植物的组织培养过程中，容易受培养条件和诱变因素(如射线、化学物质等)的影响而产生突变。

②利用：筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。

3．细胞产物的工厂化生产

(1)次生代谢物：是一类小分子有机化合物，在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。

(2)细胞产物的工厂化生产：人们利用植物细胞培养来获得目标产物，这个过程就是细胞产物的工厂化生产。

(3)植物细胞培养：是指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。

1．葡萄的扦插、桃树的嫁接、石榴的压条繁殖方式都属于微型繁殖。 (　×　)

2．以茎尖为材料通过组织培养获得的脱毒苗具有抗病毒的特点。 (　×　)

3．单倍体育种和突变体培育的遗传学原理是一致的。 (　×　)

4．细胞产物的工厂化生产主要是利用促进细胞生长的培养条件，提高了单个细胞中次生代谢物的含量。              (　×　)

1．脱毒苗与抗毒苗的辨析

脱毒苗是选择植物的分生区如茎尖(病毒极少，甚至无病毒)进行组织培养而获得的，属于细胞工程的范畴。

抗毒苗是利用基因工程技术把某抗病毒基因导入受体细胞中，赋予生物抗病毒的遗传特性，属于基因工程的范畴。

2．作物新品种的培育

3．细胞产物的工厂化生产

(1)细胞产物：次生代谢物，如紫草宁、紫杉醇等。

(2)技术基础：植物细胞培养技术。

(3)培养阶段：愈伤组织阶段。

1．科研人员研究了马铃薯茎尖外植体大小对幼苗的成苗率和脱毒率的影响，结果如图。相关叙述正确的是(　　)

A．培育脱毒苗所依据的原理有基因突变和细胞全能性

B．培育的脱毒苗具有抗病毒的能力

C．实验结果表明茎尖越小，脱毒率越高，成苗率越低

D．根据本实验，培养脱毒苗时茎尖的适宜大小为0.60 mm

C　解析：马铃薯茎尖病毒极少，甚至无病毒，因此可利用马铃薯茎尖进行组织培养形成脱毒苗，所依据的原理是细胞全能性，A错误；培育的脱毒苗不具有抗病毒的能力，B错误；实验结果表明茎尖越小，脱毒率越高，成苗率越低，C正确；在茎尖外植体大小为0.27 mm时，脱毒率和成苗率均较高，因此马铃薯脱毒培养中茎尖外植体的适宜大小为0.27 mm，D错误。

2．(2021·辽宁沈阳模拟)现有白色纤维、高酚(棉酚含量高)棉花种子(基因型为aaBB，两对基因独立遗传)若干，经过X射线处理后种植，分别获得了突变体甲(AaBB)和突变体乙(aaBb)。已知A基因控制棕色纤维，b基因使棉酚含量降低，且棕色棉植株抗虫能力强，低酚棉植株产量高。下列叙述错误的是(　　)

A．上述白色纤维、高酚棉花种子经射线处理后得到甲、乙两种突变体，说明基因突变具有不定向性

B．A基因使棉花的抗虫能力增强，说明经基因突变产生的该基因在现有环境中对个体是有利的

C．b基因控制棉酚含量同时还影响植株产量，说明一个基因可以影响多种性状

D．利用突变体甲和乙为材料，通过杂交育种可获得稳定遗传的棕色低酚棉

A　解析：根据题干信息可知，棉花种子(aaBB)经过X射线处理后，得到了突变体甲(AaBB)和突变体乙(aaBb)，由于发生突变的基因不同，故不能说明基因突变具有不定向性，A错误；A基因控制棕色纤维，且棕色棉植株抗虫能力强，说明经基因突变产生的该基因在现有环境中对个体是有利的，B正确；b基因使棉酚含量降低，低酚棉植株产量高，即b基因控制棉酚含量同时还影响植株产量，说明一个基因可以影响多种性状，C正确；利用突变体甲和乙为材料，利用基因重组原理通过杂交育种可获取稳定遗传的棕色低酚棉，D正确。

3．植物代谢会产生一些一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物——次生代谢物。下列相关叙述错误的是(　　)

A．次生代谢物是一类小分子有机物(如酚类、萜类和含氮化合物等)

B．植物细胞的次生代谢物含量很低，有些产物不能或难以通过化学合成途径得到

C．细胞产物的工厂化生产是指利用植物组织培养来获得目标产物的过程

D．植物细胞培养是指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术

C　解析：细胞产物的工厂化生产是指利用植物细胞培养来获得目标产物的过程。

【命题动态】针对人类生活需求或生产要求，利用组织培养技术和体细胞杂交技术进行植物快速繁殖、新品种培育以及细胞产物的工厂化生产的真实情景设计。难度低档或中档，呈现形式多为选择题。

(2020·山东卷)两种远缘植物的细胞融合后会导致一方的染色体被排出。若其中一个细胞的染色体在融合前由于某种原因断裂，形成的染色体片段在细胞融合后可能不会被全部排出，未排出的染色体片段可以整合到另一个细胞的染色体上而留存在杂种细胞中。依据该原理，将普通小麦与耐盐性强的中间偃麦草进行体细胞杂交获得了耐盐小麦新品种，过程如下图所示。下列说法错误的是(　　)

A．过程①需使用纤维素酶和果胶酶处理细胞

B．过程②的目的是使中间偃麦草的染色体断裂

C．过程③中常用灭活的病毒诱导原生质体融合

D．耐盐小麦的染色体上整合了中间偃麦草的染色体片段

[思维培养]

C　解析：过程①是获得植物细胞的原生质体，需要用纤维素酶和果胶酶将细胞壁分解，A正确；根据题干信息“将其中一个细胞的染色体在融合前断裂，形成的染色体片段在细胞融合后可能不会被全部排出，未排出的染色体片段可以整合到另一个细胞的染色体上而留存在杂种细胞中。将普通小麦与耐盐性强的中间偃麦草进行体细胞杂交获得了耐盐小麦新品种”，故过程②通过紫外线照射的目的是使中间偃麦草的染色体断裂，B正确；灭活的病毒诱导是动物细胞融合特有的方法，诱导植物原生质体融合常用物理法、化学法，C错误；实验最终将不抗盐的普通小麦和抗盐的偃麦草整合形成耐盐小麦，说明耐盐小麦染色体上整合了中间偃麦草的染色体片段，D正确。

1．(生活、学习和实践情境)紫杉醇是一种抗癌药物，主要从红豆杉树皮中分离提取。目前采用物理或化学方法将红豆杉愈伤组织固定在一定空间内，实现紫杉醇的规模化生产是提高紫杉醇产率、保护稀缺资源红豆杉、解决紫杉醇药源紧缺的一种有效方法。下列相关叙述正确的是(　　)

A．通过植物组织培养诱导红豆杉再分化形成愈伤组织时，需生长素和细胞分裂素配合使用

B．采用植物细胞工程技术大规模生产紫杉醇时，应选用以糖类作碳源的液体培养基

C．大规模培养红豆杉愈伤组织时需要以牛肉膏、蛋白胨等含氮有机物充当氮源

D．用液体培养基培养固定在一定空间内的愈伤组织生产紫杉醇时，不需要通入无菌空气

B　解析：通过植物组织培养诱导红豆杉脱分化形成愈伤组织，A错误；采用植物细胞工程技术大规模生产紫杉醇时，应选用以糖类作碳源的液体培养基，便于收集表达产物，B正确；大规模培养红豆杉愈伤组织时需要以含氮无机盐充当氮源，C错误；用液体培养基培养固定在一定空间内的愈伤组织生产紫杉醇时，需要通入无菌空气，利于细胞进行有氧呼吸，D错误。

2．(科学实验和探究情境)为拓宽白菜育种的基因资源，改良白菜品质，研究人员以白菜(2n＝20，AA)和甘蓝(2n＝18，CC)为材料进行植物体细胞杂交，得到杂种植物。对两种亲本和某融合植株进行细胞DNA含量检测，结果如下图。下列说法正确的是(　　)

A．白菜的DNA相对含量较少说明其基因数量比甘蓝少

B．操作中只能用PEG诱导原生质体融合

C．该技术需要再生细胞壁后才能进行植物组织培养

D．检测结果说明待检测植株为白菜—甘蓝杂种植株

C　解析：基因通常是有遗传效应的DNA片段，白菜的DNA相对含量较少，其基因数量不一定比甘蓝少，A错误；诱导植物原生质体融合的方法有物理法(电融合法、离心法等)和化学法(PEG融合法、高Ca2＋—高pH融合法等)，B错误；该技术需要原生质体再生细胞壁后才能进行植物组织培养，C正确；据图可知，白菜DNA相对含量为50左右，甘蓝DNA相对含量为75左右，待检测植株DNA相对含量为150左右，说明待检测植株为甘蓝—甘蓝四倍体植株，D错误。

3．(生命科学史情境)我国是首创利用航天技术进行作物诱变育种的国家。一批重约40克的水稻种子搭载嫦娥五号在月球遨游23天后，顺利返回地球。下列有关叙述错误的是(　　)

A．太空强辐射、微重力和高真空等因素可以提高种子的突变率

B．“上天”水稻种子的性状可能不会按育种专家的设想而改变

C．水稻种子在月球遨游的过程中发生的变异为进化提供材料

D．在月球遨游过程中水稻种子若产生了新基因，则形成了新物种

D　解析：在强辐射、微重力和高真空的条件下，能诱发植物的基因突变，产生新基因，提高了种子的突变率，A正确；由于基因突变具有不定向性，产生的新突变可能有害，可能有利，也可能既无利又无害，“上天”水稻种子的性状可能不会按育种专家的设想而改变，B正确；水稻种子在月球遨游的过程中发生的变异为基因突变，基因突变为进化提供了原材料，C正确；在月球遨游过程中水稻种子若产生了新基因则可以产生新品种，不一定形成新物种，要产生生殖隔离才能形成新物种，D错误。