2020浙江高考生物二轮讲义：第19讲　酶的应用和植物的组织培养

第19讲　酶的应用和植物的组织培养

　酶的应用

1．果汁中的果胶和果胶酶

(1)果胶：果胶是植物细胞壁的主要成分，由半乳糖醛酸和半乳糖醛酸甲酯组成。鉴别果胶的简易方法是用乙醇溶解出现浑浊现象。

(2)果胶酶

①来源：黑曲霉、苹果青霉。

②组成：果胶酶并不是特指某一种酶，而是分解果胶的一类酶的总称，主要包括果胶酶和果胶甲酯酶。

③作用：将果胶分解成可溶性的分子，使出汁率提高，也使浑浊的果汁变得澄清。

2．α­淀粉酶的固定化及淀粉水解作用的检测

(1)固定化酶

①形成：将水溶性的酶用物理或化学的方法固定在某种介质上。使之成为不溶于水而又有酶活性的制剂。

②特性：稳定性好，与底物和产物容易分离，易于控制，能反复多次使用；便于运输和贮存，有利于自动化生产。

(2)α­淀粉酶水解作用的检测：将α­淀粉酶固定在石英砂上。一定浓度的淀粉溶液经过固定化酶柱后，可使淀粉水解成糊精。用淀粉指示剂溶液测试，流出物呈红色，表明水解产物糊精生成。

(3)α­淀粉酶固定化实验过程

固定化α­淀粉酶，装入注射器中

↓

以0.3 mL/min的流速滴加淀粉溶液过柱

↓

流出5 mL淀粉溶液后接收0.5 mL流出液

↓

滴加KI­I2溶液，观察颜色，稀释1倍后再观察颜色

↓

用10倍柱体积的蒸馏水洗涤固定化柱，

放置在4 ℃冰箱中，几天后重复实验

　某同学进行苹果汁制作实验，工艺如图所示。请回答：

(1)图中用高锰酸钾溶液浸泡苹果的目的是______。黑曲霉提取液中含有的____________可水解果胶，从而使果汁澄清。固定化柱中填充的石英砂通过__________方式将酶固定化，酶被固定后用蒸馏水洗涤固定化柱是为了除去________________________________________________________________________。

(2)实验中，操作流程A和B的先后次序为______。在苹果汁澄清过程中，应关闭的流速调节阀是______。要测定从固定化柱流出的苹果汁中是否还有果胶，可取一定量的果汁与等量的______混合，如果出现______现象，说明果胶还没有被完全水解。为使果胶完全水解，应将流速调______。

(3)实验后，将洗涤过的固定化柱在低温环境中保存若干天，该固定化柱仍可用于苹果汁制作实验，说明固定化酶可被________使用。

[解析]　(1)KMnO4具有消毒作用，可用于清洗苹果和葡萄等，将吸附在这些水果表面的微生物清洗掉；从黑曲霉和苹果青霉中可以提取得到果胶酶；石英砂可以通过吸附的方式将酶固定化。通过吸附法固定酶后，总有少量酶没有被固定住，所以要用蒸馏水洗涤固定化柱，以洗去没有固定的酶，以免影响实验效果。(2)实验过程中要先获得果胶酶，把果胶酶通过吸附法固定在石英砂上，再将石英砂装柱，然后向固定化柱中加苹果汁。果胶酶装柱后，就应关闭阀1。根据果胶不溶于乙醇的特点，可以鉴定是否有果胶的存在。流速减慢后，果胶酶可以更充分地催化分解果胶。(3)实验结束后可以用一定量的蒸馏水洗涤固定化柱，低温环境中保存固定化柱，几天后仍可重复利用。

[答案]　(1)消毒　果胶酶　吸附　未被固定的酶等

(2)A、B　阀1　乙醇　浑浊(沉淀)　慢　(3)重复

直接使用酶和固定化酶的区别

[题组突破]

1．某校学生尝试用琼脂作载体，用包埋法固定α­淀粉酶来探究固定化酶的催化效果。实验结果见下表(假设加入试管中的固定化淀粉酶量与普通α­淀粉酶量相同)。实验表明1号试管中淀粉未被水解，最可能的原因是(　　)

A．实验中的温度过高，导致固定化淀粉酶失去活性

B．淀粉是大分子物质，难以通过琼脂与淀粉酶接触

C．水浴保温时间过短，固定化淀粉酶未将淀粉水解

D．实验程序出现错误，试管中应先加入碘—碘化钾溶液后保温

解析：选B。由于固定化酶是用包埋法固定的，而淀粉是大分子物质，它不能通过琼脂与酶充分接触，导致淀粉不能被水解而遇碘—碘化钾溶液呈现蓝色。

2．请回答与“果汁中的果胶和果胶酶”实验有关的问题：

(1)果胶是细胞壁的重要组成成分，其化学本质是______(A.蛋白质　B．脂质　C．核酸　D．多糖)，它在细胞壁形成过程中的主要作用是将相邻的细胞________在一起。

(2)制取果汁时，先用果胶酶将果胶分解成________和半乳糖醛酸甲酯等物质，再用________酶处理，可得到比较澄清的果汁。用适量且浓度适宜的上述两种酶处理时，果汁的出汁率、澄清度与酶的________高低成正相关。

(3)由于果胶不溶于乙醇，故可用乙醇对果胶粗提物(经酶处理后的混合物)进行________处理，从而得到干制品。

解析：(1)果胶是由半乳糖醛酸和半乳糖醛酸甲酯组成，其化学本质是属于多糖。果胶起着将植物细胞粘合在一起的作用。

(2)果胶酶能将果胶分解成半乳糖醛酸和半乳糖醛酸甲酯等物质，要使果汁更澄清，应同时使用果胶酶和果胶甲酯酶。用适量且浓度适宜的上述两种酶处理时，果汁的出汁率、澄清度与酶的活性高低成正相关。

(3)由于果胶不溶于乙醇，故可用乙醇对果胶粗提取物(经酶处理后的混合物)进行沉淀处理，从而得到干制品。

答案：(1)D　粘合　(2)半乳糖醛酸　果胶甲酯　活性　(3)沉淀

　植物的组织培养

1．植物组织培养的含义与过程

(1)含义：组织培养就是取一部分植物组织，如叶、芽、茎、根、花瓣或花粉等，在无菌条件下接种在三角瓶中的琼脂培养基上，给予一定的温度和光照，使之产生愈伤组织，或进而生根发芽。

(2)过程

―→

(3)操作流程

外植体的消毒：用70%的乙醇和5%的次氯酸钠溶液对外植体进行消毒，注意时间不能太长

接种：接种过程中插入外植体时形态学上端朝上，每个锥形瓶接种2～3个外植体。外植体接种与细菌接种相似，操作步骤相同，而且都要求无菌操作

培养：应该放在无菌箱中进行，并定期进行消毒，保持适宜的温度和光照

移栽：将生根的苗从锥形瓶中移至草炭土或蛭石中继续生长，苗健壮后再移至土中

栽培

2．MS培养基的成分及各成分的作用

续　表

3.脱分化和再分化的比较

4.生长素和细胞分裂素在植物组织培养中的作用

(1)有生长素存在，细胞分裂素的作用呈现加强的趋势。

(2)使用顺序不同，结果不同，见表：

(3)用量比值不同，结果也不同，见表：

　如图是植物组织培养过程示意图，请回答有关问题：

外植体愈伤组织长出丛芽生根移栽成活

(1)外植体若是菊花茎段组织，则在配制MS固体培养基时，________(填“必需”或“不必”)添加植物激素。

(2)外植体若是菊花的根尖组织，则在正常环境下培养成的新菊花植株叶片的颜色是________，该过程体现了植物细胞具有________。

(3)植物激素中生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂和分化的关键性激素，在植物组织培养过程中：①若先使用细胞分裂素，后使用生长素，实验结果是细胞__________________________。②当同时使用这两种激素时，生长素用量比细胞分裂素用量的比值________(填“高”“低”或“适中”)时，促进愈伤组织的形成。

[解析]　(1)由于菊花茎段的组织培养比较容易，因此在配制MS固体培养基时，不必添加植物激素。(2)外植体若是菊花的根尖组织，由于植物细胞具有全能性，根尖细胞具有全套的遗传物质，则在正常环境下培养成的新菊花植株叶片的颜色是绿色。(3)①植物中生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素。在生长素存在的情况下，细胞分裂素的作用呈现加强的趋势，分化频率高。在植物组织培养过程中，若先使用细胞分裂素，后使用生长素，实验结果是细胞既分裂也分化。②生长素用量与细胞分裂素用量，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；比例适中时，促进愈伤组织的生长。

[答案]　(1)不必　(2)绿色　全能性　(3)①既分裂也分化　②适中

植物组织培养实验操作的易错点

(1)材料的选取：菊花的组织培养实验中，应选择未开花植株的茎上部新萌生的侧枝。

(2)外植体消毒：所用消毒剂为70%的酒精和5%的次氯酸钠溶液，所使用的清洗液是无菌水。

(3)组织培养时不用天然激素而是用人工合成的激素，是因为植物中存在相应的分解天然激素的酶而没有分解相应的人工合成激素的酶，所以天然激素在植物体内作用和存在的时间短，人工合成激素作用和存在的时间长，效果明显。　

[题组突破]

1．在植物组织培养再分化阶段中，逐渐改变培养基中植物激素X和植物激素Y的浓度比，细胞群的变化情况如下图所示。若培养基中植物激素X的浓度为a、植物激素Y的浓度为a＋0.2，则细胞群分化的结果最可能是试管(　　)

解析：选C。由图可知，植物激素X的浓度小于植物激素Y的浓度时，有利于根的分化。

2．下面为一科研小组进行某外植体的植物组织培养实验的流程图解。

请回答：

(1)若进行菊花的组织培养，则一般选择未开花植株的茎上部____________________作为外植体。本实验配制培养基一般需首先配制各种__________，接种前培养基应经__________处理。

(2)脱分化主要发生在__________(用字母表示)过程，再分化主要发生在__________(用字母表示)过程。从植物组织到种苗形成的过程说明细胞具有__________。

(3)若在培养过程中，发现愈伤组织只分裂而不分化出芽和根，则可能原因有：①细胞分裂素与生长素的比例________；②激素使用顺序不当，先使用了________。

(4)实验中常发现愈伤组织被真菌污染，为查找污染原因设计了四个实验，实验条件除图示外其他均相同，实验结果表示如图：

据图可初步判断____________________是造成污染的最主要原因。

解析：(1)未开花植株茎上新萌生的侧枝比较幼嫩，分裂能力强，容易诱导脱分化、再分化；配制培养基时，要先配制培养基所需成分的母液，接种前要对培养基进行高压蒸汽灭菌处理。(2)由高度分化的植物组织或细胞产生愈伤组织的过程叫脱分化；脱分化产生的愈伤组织继续培养，又可以重新分化出根或芽等器官，叫再分化。(3)愈伤组织分化与否及产生根或芽，取决于生长素和细胞分裂素的浓度比值及使用的先后顺序，当细胞分裂素/生长素的比值低时，诱导根的分化；两者比值处于中间水平，愈伤组织只生长不分化；两者比值高时，诱导芽的形成。(4)随灭菌时间的推移、培养基pH的增大、温度的升高，污染率在一定范围内波动，而外植体消毒时间越长，污染率越低，说明污染主要是由外植体消毒时间短造成的。

答案：(1)新萌生的侧枝(或生长旺盛的嫩枝)　母液　灭菌(高压蒸汽灭菌)　(2)a　bc　全能性　(3)适中　生长素　(4)外植体消毒时间太短

课后作业

一、选择题

1．下列有关果胶酶及果胶酶实验探究的叙述，正确的是(　　)

A．探究果胶酶的用量时，pH、温度不影响实验结果

B．果胶酶包括多聚半乳糖醛酸酶、果胶分解酶和葡萄糖异构酶等

C．探究温度对果胶酶活性的影响时，温度、苹果泥、果胶酶的用量及反应时间等都是自变量

D．可以用相同时间内过滤得到的果汁体积来确定果胶酶的用量

解析：选D。探究果胶酶的用量时，pH、温度会影响实验结果；葡萄糖异构酶不属于果胶酶；探究温度对果胶酶活性的影响实验中，温度为单一变量，其他因素保持不变。

2．下图为某同学探究温度对果胶酶活性的影响实验的操作流程图，下列叙述错误的是(　　)

A．底物为苹果泥，酶液为果胶酶溶液

B．底物与酶混合前的同温处理可以取消

C．实验的自变量为底物与酶混合后的温度

D．检测的是果汁的体积或果汁的澄清度

答案：B

3．某愈伤组织在下图甲所示的培养基中培养一段时间后得到图乙所示的结构。经分析可知该培养基中(　　)

A．细胞分裂素多，生长素少

B．细胞分裂素少，生长素多

C．细胞分裂素和生长素的用量相等

D．只有细胞分裂素

解析：选B。从图乙中可以看出，该培养基有利于生根且抑制芽的形成，所以可推断该培养基中生长素多，细胞分裂素少。

二、非选择题

4．辣椒素作为一种生物碱广泛用于食品保健、医药工业等领域。辣椒素的获得途径如图：

(1)图中①和②分别表示辣椒组织培养中细胞的____________和________过程。

(2)图中培养外植体的培养基中常用的凝固剂是________。培养基中的生长素和细胞分裂素用量的比值________(填“高”或“低”)时，有利于芽的分化。对培养基彻底灭菌时，应采取的灭菌方法是_______________________________________________________________。

(3)图中外植体的消毒所需酒精的体积分数是________。用酶解法将愈伤组织分离成单细胞时，常用的酶是________和纤维素酶。

(4)提取辣椒素过程中，萃取加热时需安装冷凝回流装置，其目的是________________________。

解析：(1)将外植体培养成愈伤组织，属于脱分化过程，再生根、芽为再分化过程。(2)固体培养基的凝固剂多为琼脂。利于芽分化的激素比例为生长素低于细胞分裂素，高压蒸汽灭菌可以杀死环境中的一切细胞、芽孢、孢子。(3)体积分数为70%的酒精可以杀死外植体表面的微生物。植物细胞间质为果胶和纤维素，可以用果胶酶和纤维素酶使愈伤组织分散为单个细胞。(4)冷凝可以防止有机溶剂的挥发。

答案：(1)脱分化(或去分化)　再分化　(2)琼脂　低　高压蒸汽灭菌　(3)70%　果胶酶　(4)防止有机溶剂的挥发

5．利用紫甘薯制酒可提高其附加值。请回答下列问题：

(1)为提高紫甘薯的利用率，工厂化生产时，可加入果胶酶和淀粉酶，其中果胶酶可来自________等微生物。由于酶在水溶液中不稳定，因此常将酶固定在某种介质上制成________。

(2)果胶酶可将紫甘薯匀浆中的果胶水解成________。

A．半乳糖醛酸和葡萄糖

B．半乳糖和果糖

C．半乳糖醛酸甲酯和果糖

D．半乳糖醛酸和半乳糖醛酸甲酯

(3)紫甘薯匀浆流经α­淀粉酶柱后，取适量流出的液体，经脱色后加入KI­I2溶液，结果液体呈红色。表明该液体中含有________。

A．淀粉 B．糊精

C．麦芽糖 D．葡萄糖

(4)在发酵前，为使酵母菌迅速发生作用，取适量的干酵母，加入温水和________。一段时间后，酵母悬液中会出现气泡，该气泡内的气体主要是________。将酵母菌接种到待发酵液后，随发酵的进行，酵母菌在________条件下产生了酒精和二氧化碳。

(5)下图表示发酵液pH对酒精浓度的影响。据图判断，最佳pH是________。

解析：(1)生产上，可利用黑曲霉、苹果青霉生产果胶酶：利用固定化技术，将酶固定在某种介质上，制成固定化酶可解决酶在水溶液中不稳定且不利于工业化使用等问题。(2)果胶经果胶酶催化可水解得到半乳糖醛酸和半乳糖醛酸甲酯。(3)甘薯匀浆中的淀粉经α­淀粉酶催化，可生成糊精，糊精遇碘显红色。(4)酵母菌在有氧条件下将糖氧化分解生成二氧化碳和水，无氧条件下将糖分解生成酒精和二氧化碳。(5)由曲线可知，经相同发酵时间，当pH＝4.7时，酒精浓度最高，即最佳pH为4.7。

答案：(1)黑曲霉(或苹果青霉)　固定化酶　(2)D　(3)B

(4)蔗糖　CO2　无氧　(5)4.7

6．(2019·浙江4月选考)回答与果胶和果胶酶有关的问题：

(1)通常从腐烂的水果上分离产果胶酶的微生物，其原因除水果中果胶含量较高外，还因为________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)为了获得高产果胶酶微生物的单菌落，通常对分离或诱变后的微生物悬液进行________________________________________________________________________。

(3)在某种果汁生产中，用果胶酶处理显著增加了产量，其主要原因是果胶酶水解果胶使__________________________。果汁生产中的残渣、果皮等用于果胶生产，通常将其提取液浓缩后再加入________使之形成絮状物，然后通过离心、真空干燥等步骤获得果胶制品。

(4)常用固定化果胶酶处理含果胶的污水，其主要优点有________________________和可连续处理等。在建立和优化固定化果胶酶处理工艺时，除考虑果胶酶的活性和用量、酶反应的温度、pH、作用时间等环境因素外，还需考虑的主要有________________和________________。

答案：(1)腐烂的水果中含产果胶酶的微生物较多

(2)涂布分离(或划线分离)

(3)水果组织软化疏松及细胞受损　95%乙醇

(4)提高果胶酶的稳定性　固定化的方法　固定化所用的介质

7．下图为番茄组织培养过程的流程图解，请据图回答下列问题：

(1)图中的叶组织块要经过________(填“消毒”或“灭菌”)后，才能接种。在工作台上接种时，为了避免微生物污染，接种过程要在____________旁进行。

(2)该过程所用的MS培养基主要成分包括大量元素、微量元素和____________，在配制好的MS培养基中，常常需要添加____________，其中启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素是______________________。用于植物组织培养的培养基必须彻底灭菌，常采用的灭菌方法是____________________。

(3)图中b表示番茄组织培养中的____________过程。在过程c中，若愈伤组织在培养基中未形成根，但分化出了芽，其原因可能是__________________________________________。

(4)番茄叶组织块能够形成番茄幼苗所依据的原理是________________。

解析：(1)图中a表示获取外植体，要经过消毒后，才能接种。接种过程要避免微生物污染，接种常在酒精灯火焰旁进行。(2)组织培养培养基主要成分包括大量元素、微量元素和有机物，在配制好的MS培养基中，常常需要添加生长素和细胞分裂素等植物激素。用于植物组织培养的培养基常采用高压蒸汽灭菌。(3)b表示脱分化，c表示再分化，d表示丛状苗生长。植物激素的浓度、使用先后顺序及用量比例都是影响植物组织培养的因素。生长素用量与细胞分裂素用量的比值偏低，利于芽的分化，抑制根的形成；生长素用量与细胞分裂素用量的比值偏高，利于根的分化，抑制芽的形成。(4)植物组织培养所依据的原理是植物细胞的全能性。

答案：(1)消毒　酒精灯火焰　(2)有机物　植物激素　生长素和细胞分裂素　高压蒸汽灭菌　(3)脱分化　培养基中生长素用量与细胞分裂素用量的比值偏低　(4)植物细胞的全能性

8．某实验小组为探究果胶酶的最适温度，设计了以下实验：

①用搅拌器搅拌制取一定量果泥备用；

②配制质量分数为2% 的果胶酶溶液备用；

③按以下操作步骤进行：

(1)该实验的自变量是________，因变量是________________________________。

(2)请填写表格中字母所代表的数值：________________________________，解释原因：________________________________________________________________。

(3)为使效果更明显，本实验还要考虑其他因素对酶的影响，请列举三点：_____________________________________、_______________________________、__________________________________。

(4)本实验检测因变量的方法有两种分别为________________、________________。

解析：表格中只有温度不同，所以温度是自变量，因变量就是由于温度不同而形成的最终的结果即果汁澄清度或出汁量。由于温度是自变量，其他无关变量都要相同，这样可以确保单一变量，得到正确的实验结果。影响本实验中酶的其他因素还有很多，如：适宜的pH、酶与底物的充分接触等。

答案：(1)温度　果汁澄清度或出汁量

(2)A、B、C、D、E均为8，F、G、H、I、J均为2　这样可保证除自变量不同以外，其他无关变量都相同

(3)本实验应将反应混合物调到果胶酶的最适pH　为了使果胶酶与果泥能充分接触，应尽量将水果泥粉碎

在反应中适当搅拌

(4)测果汁澄清度　比较出汁量

9．结合所学知识，回答下列问题：

(1)在工业生产中，为了提高酶使用效率和产品的纯度，一般需要将酶进行固定化处理。利用石英砂固定α淀粉酶的方法属于________。

A．吸附法 B．偶联法  

C．交联法 D．包埋法

(2)一定浓度的淀粉溶液流过α­淀粉酶固化柱后，水解成________，遇碘显________色。

(3)α­淀粉酶可以通过枯草杆菌发酵生产，以下是利用诱变育种方法培育获得产生较多淀粉酶的菌株的主要实验步骤。(原理：菌株生长过程可释放淀粉酶分解培养基中的淀粉，在菌落周围形成透明圈。)

第一步：将枯草杆菌菌株接种到________培养基上进行扩大培养。

第二步：将枯草杆菌菌株分成两组，A组用 ________处理；B组不处理(作对照)。

第三步：制备多个含淀粉的固体培养基。

第四步：将A、B组分别稀释后，分别在含淀粉的固体培养基上利用________法分离，适宜条件下培养得到单菌落。

第五步：观察A、B组各菌落周围的________。

实验结果预期：

根据诱发突变率低的特点，预期____________________________________________

________________________________________________________________________。

根据诱发突变不定向性的特点，预期_________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：(1)利用石英砂固定α­淀粉酶的方法，是把酶吸附在石英砂表面，故属于吸附法；(2)淀粉溶液流过α­淀粉酶固化柱后，在α­淀粉酶催化下先被水解成糊精，糊精遇碘显红色；(3)将枯草杆菌菌株接种到液体培养基上进行培养，转入含有化学诱变剂的培养基上培养，可以获得突变体，分别在含淀粉的固体培养基上利用涂布分离法分离，适宜条件下培养得到单菌落，对比菌落周围形成的透明圈，根据突变率低，可以预期：A组多数菌落周围的透明圈与B组差异不显著；根据突变不定向的特点，可以预期：A组有少数菌落的透明圈比B组明显小，有少数比B组明显大(或A组透明圈大小不一，B组较一致)。

答案：(1)A　(2)糊精　红

(3)液体　诱变剂(化学诱变剂、砷化物、亚硝胺、联苯胺、硫酸二乙酯)　涂布分离　透明圈大小　A组多数菌落周围的透明圈与B组差异不显著　A组有少数菌落周围的透明圈比B组明显小，有少数比B组大(或A组透明圈大小不一，B组较一致)