[高中生物一轮复习教学讲义  选修3]

第28讲 细胞工程

考点一  植物细胞工程

细胞工程：按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品。在细胞水平或细胞器水平。根据操作对象不同，分为植物细胞工程和动物细胞工程。

1．植物细胞工程

(1)植物细胞的全能性：生物的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质，都有发育成完整个体所必需的全部基因，具有发育成完整生物休的潜能。

(2)原因：细胞含有本物种全部的遗传信息。

(3)细胞全能性表达的条件：具有完整的细胞结构；处于离体状态；提供一定的营养、激素和其他适宜的外界条件。

2．植物组织培养技术

(1)原理：植物细胞具有全能性。

(2)操作流程

(3)培养条件：营养物质，矿质元素(无机盐)、蔗糖、维生素、有机添加物(甘氨酸)。植物激素，细胞分裂素、生长素等。固化剂，琼脂。其他条件，无菌、适宜的温度、合适的pH等。

(4)脱分化和再分化的比较。

3．植物体细胞杂交技术

(1)概念：将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。

(2)原理

①原生质体融合：利用了细胞膜的流动性。

②杂种细胞发育成杂种植株：利用了细胞的全能性。

(3)过程图解

(4)意义：植物体细胞杂交克服了不同生物远缘杂交不亲和的障碍。

4．植物细胞工程的实际应用

(1)植物繁殖的新途径

①微型繁殖：用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。

特点：a．保持优良品种的遗传恶性；b．高效快速地实现种苗的大量繁殖

②作物脱毒技术：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。常用于马铃薯、草莓、甘蔗、香蕉等无性繁殖的植物。

③人工种子：以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。人工种皮要透水、透气、易降解，而且要在一定浓度的农药中浸泡。人工胚乳或子叶中除含有营养物质外，也可以放入固氮菌。

(2)作物新品种的培育：单倍体育种；突变体的利用。

考点二  动物细胞工程

1．动物细胞培养

(1)概念：从动物机体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后，放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和增殖。

(2)原理：细胞的增殖。

(3)操作流程

①选用幼龄动物组织或胚胎进行细胞培养的原因：幼龄动物组织或胚胎的细胞分化程度低，增殖能力很强，更易于培养。

②不选用胃蛋白酶分散细胞的原因：多数动物细胞培养的适宜pH为7.2~7.4，此环境下胃蛋白酶(适宜pH为1.5左右)没有活性，而胰蛋白酶(pH为7.2~8.4)活性较高。

③正常细胞有接触抑制现象，癌变细胞会失去接触抑制现象。

④目前使用或冷冻保存的通常都是10代以内的细胞，目的是保持细胞正常的二倍体核型。

⑤无论是原代培养还是传代培养，培养瓶都要放在二氧化碳培养箱中，目的是调节pH。

(4)培养条件

①无菌、无毒的环境：培养液和培养用具进行无菌处理；培养液中添加一定量的抗生素；定期更换培养液，以清除细胞代谢产物。

②营养：主要有糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等。在使用含有上述成分的合成培养基时，通常需加入血清、血浆等天然成分。

③温度和pH：培养哺乳动物细胞的温度多以36.5±0.5 ℃为宜，多数细胞生存的适宜pH为7.2~7.4。

④气体环境：95%空气+5%CO2，O2是细胞代谢所必需的，CO2的主要作用是维持培养液的pH。

(5)动物细胞培养技术的应用

①生产病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等。                   

②为基因工程提供受体细胞。

③用于检测有毒物质，判断某种物质的毒性。

④用于生理、病理、药理等方面的研究。

2．动物体细胞核移植技术和克隆动物

(1)概念：将动物的一个细胞的细胞核移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎，这个新的胚胎最终发育为动物个体。

(2)原理：动物细胞核的全能性。

(3)分类：胚胎细胞核移植(容易)、体细胞核移植(困难，原因是动物体细胞分化程度高，全能性很难恢复)。

(4)操作流程

(5)用到的技术手段：动物细胞培养、动物细胞融合、早期胚胎培养和胚胎移植。

(6)体细胞核移植技术的应用前景：加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育；保护濒危物种；转基因克隆动物可以作为生物反应器；为器官移植提供供体；为胚胎发育及衰老过程的研究提供证据；用克隆动物作疾病模型。

(7)存在的问题：成活率低；克隆动物的健康问题；克隆动物食品的安全性问题等。

目前核移植技术中普遍使用的去核方法是显微操作去核法。还有人采用其他方法，如梯度离心、紫外光短时间照射、化学物质处理等。这些方法是在没有刺破透明带或卵母细胞质膜的情况下，去除细胞核或使卵细胞核DNA变性，从而达到去核目的。

(8)生物技术中的伦理问题：不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人的实验，不反对 治疗性克隆。

考点三 动物细胞融合与单克隆抗体的制备

1．动物细胞融合：两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程，又称细胞杂交。

(2)原理：细胞膜的流动性。

(3)方法：灭活的病毒、聚乙二醇、电激等。

(4)意义：突破有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能；成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和生物新品种培育等的重要手段；制备单克隆抗体。

2．单克隆抗体的制备

(1)血清抗体与单克隆抗体

(2)单克隆抗体：克隆单一的杂交瘤细胞所产生的大量的单一抗体。

(6)制备单克隆抗体过程中的两次筛选

1．根据下面植物体细胞杂交技术流程图，回答相关问题。

(1)运用传统有性杂交(即用番茄、马铃薯杂交)自然状态下不能得到杂种植株，原因是________________。

(2)在利用杂种细胞培育杂种植株的过程中，依据的原理是____________，其中过程②称为________，植物体细胞融合完成的标志是________。

(3)已知番茄、马铃薯分别为四倍体、二倍体，则“番茄—马铃薯”属于________倍体植株。

(4)已知柴油树种子含有的柴油是植物细胞的代谢产物，可用植物组织培养来实现柴油的工业化生产。若利用此技术，将柴油树细胞培养到________阶段即可(填字母编号)。

(5)若培育抗虫棉，将抗虫基因通过适当的途径导入棉花受精卵，然后进行组织培养，该过程相当于________(填字母编号)。

(6)人工种子是由发育到________过程(填字母编号)的结构包裹上人工种皮制备的。

[答案](1)不同种的植物存在生殖隔离　(2)细胞的全能性　原生质体融合　产生新的细胞壁　(3)六　(4)e

(5)④⑤　(6)f

[解析](1)番茄和马铃薯属于两个物种，存在生殖隔离，不能通过有性杂交产生后代。(2)在利用杂种细胞培育杂种植株的过程中，依据的原理是细胞的全能性，其中过程②称为原生质体融合，植物体细胞融合完成的标志是产生新的细胞壁。(3)由于番茄、马铃薯分别为四倍体、二倍体，因此“番茄—马铃薯”属异源六倍体。(4)柴油是植物细胞的代谢产物，将柴油树细胞培养到愈伤组织阶段即可提取，愈伤组织阶段为图中的e阶段。(5)若培育抗虫棉，将抗虫基因通过适当的途径导入棉花受精卵，然后进行组织培养，包括脱分化和再分化两个阶段，即图中的④⑤。(6)人工种子是用胚状体、不定芽、腋芽等材料包上人工种皮制成的。

2．如图表示两种制备单克隆抗体的实验方案。已知调控细胞增殖的基因在骨髓瘤细胞的细胞质中，回答相关问题：

(1)若图1中A是小鼠骨髓瘤细胞，则B细胞是取自____________体内的浆细胞，促进d过程的常用诱导剂是________。

(2)假设仅考虑某两个细胞的融合，则可形成________种类型的C细胞，通常首先是用选择培养基对C细胞进行筛选，筛选出________细胞，然后再设法筛选出________(填特点)的D细胞用于培养。

(3)若以细胞核移植技术制备单克隆抗体(图2)，a为去核的________细胞，e是从d中分离出的________细胞，V过程类似于植物组织培养中的________过程。

(4)单克隆抗体与常规的血清抗体相比，最大的优点是______________________________。

[答案](1)感染病毒的动物或人　聚乙二醇(PEG)

(2)3　杂交瘤　既能无限增殖又能产生单一抗体

(3)骨髓瘤　胚胎干　再分化

(4)特异性强、灵敏度高、可大量制备

[解析](1)杂交瘤细胞是由小鼠的骨髓瘤细胞与经抗原刺激形成的浆细胞融合而成的；动物细胞融合常用的诱导剂是聚乙二醇(PEG)。(2)仅考虑两个细胞的融合，则可形成骨髓瘤细胞自身融合、浆细胞自身融合、骨髓瘤细胞与浆细胞融合3种类型的C细胞，所以需要用选择培养基对C细胞进行筛选，先筛选出杂交瘤细胞，然后再设法筛选出既能无限增殖又能产生单一抗体的细胞。(3)若以细胞核移植技术制备单克隆抗体，则a为去核的骨髓瘤细胞，e是从早期胚胎d中分离出的胚胎干细胞，经诱导培养分化为特定细胞，这种特定细胞具有杂交瘤细胞的特点，既能无限增殖又能产生单一抗体。(4)单克隆抗体与常规的血清抗体相比，最大的优点是特异性强、灵敏度高、可大量制备。

3．如图分别是单克隆抗体制备过程和克隆羊培育过程示意图，请据图回答下列问题：

(1)图甲和图乙所示的过程中，均用到的动物细胞工程技术是________________。

(2)图甲中②过程——动物细胞融合技术是指____________________，  该过程中常用的诱导因素有聚乙二醇、________。

(3)克隆羊的性状与白面绵羊不完全相同，其主要原因是(不考虑环境因素影响)：_________________________________________________________________。

(4)图乙过程的技术具有多方面的用途。在畜牧生产中，利用体细胞克隆技术可以加速家畜遗传改良的进程，促进优良畜群繁育；在保护濒危物种方面，可望利用体细胞核移植技术增加这些动物的存活数量。请你列举一例说明该技术在医药卫生领域的应用：__________________________________________________。

(5)在制备单克隆抗体的过程中，进行了两次筛选，其目的分别是_________________________________________________________________。

[答案](1)动物细胞培养技术

(2)两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程　灭活的病毒、电激

(3)卵母细胞细胞质的遗传物质也能控制某些性状

(4)转基因克隆动物可以作为生物反应器，生产许多珍贵的医用蛋白；在治疗人类疾病时，转基因克隆动物细胞、组织和器官可以作为异种移植的供体；人的核移植胚胎干细胞经过诱导分化，形成相应的组织、器官后，可以用于组织器官的移植。(回答出其中一项即可)

(5)第一次筛选出的是杂交瘤细胞，第二次筛选出的是能产生所需抗体的杂交瘤细胞(合理即可)

[解析](1)图甲和图乙所示的过程中，都会用到的动物细胞工程技术是动物细胞培养技术。(2)图甲中②过程为动物细胞融合技术(或细胞杂交)，是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。此过程中常用的诱导因素有聚乙二醇、灭活的病毒和电激等。(3)克隆羊的性状并不完全像白面绵羊，因为卵母细胞细胞质的遗传物质也能控制某些性状。(4)体细胞核移植技术的应用：在畜牧生产中，利用体细胞克隆技术可以加速家畜遗传改良的进程，促进优良畜群繁育；在保护濒危物种方面，可望利用体细胞核移植技术增加这些动物的存活数量。在医药卫生领域，转基因克隆动物可以作为生物反应器，生产许多珍贵的医用蛋白；在治疗人类疾病时，转基因克隆动物细胞、组织和器官可以作为异种移植的供体；人的核移植胚胎干细胞经过诱导分化，形成相应的组织、器官后，可以用于组织、器官的移植。理论方面：研究克隆动物和克隆细胞可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程；用克隆动物做疾病模型，能使人们更好的追踪研究疾病的发展过程和治疗疾病。(5)在制备单克隆抗体的过程中，进行了两次筛选，其目的不同，第一次筛选是为了获得杂交瘤细胞；第二次筛选是为了获得能产生所需抗体的杂交瘤细胞。

4．资料1　用小鼠制备的抗人绒毛膜促性腺激素单克隆抗体做成的“早早孕试剂盒”，检测早孕的准确率在90%以上。

资料2　葡萄糖异构酶在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，朱国萍等人在确定第138位甘氨酸为目标氨基酸后，用有效方法以脯氨酸替代甘氨酸，结果其最适反应温度提高了10～12 ℃，使蛋白质空间结构更具刚性。

资料3　巴西是全球最大的甘蔗生产国，但是甘蔗易受螟虫的侵害。2017年6月8日，巴西向世界宣布，全球首款能抵抗螟虫的转基因甘蔗已培育成功，并且批准该品种进入市场。

(1)资料1中，在该“单抗”的生产过程中，将________作为抗原对小鼠进行接种后，从脾脏中提取B淋巴细胞，并设法将其与鼠的骨髓瘤细胞融合，再用特定的选择培养基进行筛选，选出融合的杂种细胞，对该细胞还需进行________培养和抗体检测，经多次筛选，就可获得足够数量的符合需要的________。单克隆抗体最主要的优点有______________________________________________________________________。

(2)资料2中提到的生物技术属于________工程的范畴。在该实例中，直接需要操作的是____________(填“肽链结构”“蛋白质空间结构”或“基因结构”)。

(3)资料3中获得转基因甘蔗的过程中，核心步骤是______________________

__________________________________________________________________。

[答案](1)人绒毛膜促性腺激素　克隆化　杂交瘤细胞　特异性强、灵敏度高，并可大量制备

(2)蛋白质　基因结构

(3)基因表达载体的构建(或构建基因表达载体)

[解析](1)资料1中，在该“单抗”的生产过程中，将人绒毛膜促性腺激素作为抗原对小鼠进行接种后，从脾脏中提取B淋巴细胞，并设法将其与鼠的骨髓瘤细胞融合，再用特定的选择培养基进行筛选，选出融合的杂种细胞，对该细胞还需进行克隆化培养和抗体检测，经多次筛选，就可获得足够数量的符合需要的杂交瘤细胞。单克隆抗体最主要的优点有特异性强、灵敏度高，并可大量制备。(2)资料2中提到的生物技术属于蛋白质工程的范畴。在该实例中，直接需要操作的是基因结构。(3)资料3中获得转基因甘蔗的过程中，核心步骤是基因表达载体的构建。