2021高考生物人教版一轮教师用书第十单元第36讲　细胞工程

第36讲　细胞工程

考点一　植物细胞工程技术及其应用

1.细胞工程

(1)操作水平:细胞水平或细胞器水平。

(2)目的:按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品。

2.植物细胞的全能性

(1)概念: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)物质基础:细胞中具有本物种全部遗传信息。

(3)表达条件:具有完整的细胞结构,处于离体状态,提供一定的营养、激素和其他适宜外界条件。

3.植物组织培养技术

(1)原理:植物细胞的全能性。

(2)条件:无菌和人工控制、人工配制的培养基、适宜的培养条件。

(3)过程

4.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)过程(如图)

①去壁:对应图中a过程,即去除细胞壁,获得具有活力的原生质体,用到的酶是纤维素酶和果胶酶。

②诱导原生质体融合

③植物体细胞杂交成功的标志:形成杂种植株。

④优点:克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍。

⑤变异类型:染色体变异。

5.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。

②作物脱毒:选取作物茎尖、根尖等无毒组织进行组织培养,获得脱毒苗的技术。

③人工种子:以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽、腋芽等为材料,经过人工薄膜包装得到的种子,可以解决某些植物结实率低、繁殖困难的问题。

(2)作物新品种的培育:单倍体育种和突变体的利用。

(3)细胞产物的工厂化生产:即利用植物组织培养技术生产蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料和生物碱等。

1.植物组织培养与植物体细胞杂交在依据的原理、技术操作等方面有何不同?

(1)　                ; 

(2)　                    。 

提示:(1)前者依据的原理为细胞的全能性;后者依据的原理,除细胞的全能性外,还有细胞膜的结构特性,即细胞膜具有一定的流动性

(2)前者操作技术主要为脱分化、再分化等;后者的操作技术除脱分化、再分化外,还要用酶解法去除细胞壁,用一定的方法诱导原生质体融合

2.通过植物体细胞杂交形成的杂交植株是否一定可育?

提示:是否可育看同源染色体能否正常联会。若植物体细胞杂交过程得到的杂种植物存在同源染色体,能正常联会,则可育。

3.生长素和细胞分裂素的协同作用在组织培养中非常重要,人们常把它们称为“激素杠杆”。简述它们在组织培养中各发挥何种作用?

提示:当生长素含量高于细胞分裂素时,主要诱导植物组织脱分化和根原基的形成;而当细胞分裂素含量高于生长素时,则主要诱导植物组织再分化和芽原基的形成。

4.回答细胞分化、脱分化和再分化过程的相关问题:

(1)脱分化形成的愈伤组织细胞与正常体细胞相比,前者在结构上的特点是　。 

提示:高度液泡化、无定形、细胞壁薄

(2)脱分化和再分化是否都需要光照?

提示:脱分化不需要光照,再分化需要光照。

(3)利用紫草细胞脱分化形成的愈伤组织细胞进行培养提取紫草素,与常规的从植物体内提取具有的明显优点是什么?(至少答出三点)

提示:可以克服地理、气候等植物生长环境条件的限制;实现工业化、自动化生产;产量大、纯度高。

(4)从分化、脱分化和再分化的结果看,它们的实质都是什么?

提示:基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果。

(5)诱导愈伤组织形成的胚状体,通过包裹上人工种皮,可以制成人工种子。通过这一途径获得的“人工种子”与杂交育种获得种子相比,其优点是什么?(答一点即可)

提示:可以解决作物繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题。

题型一　植物组织培养过程分析

1.下图表示基因型为AaBb的水稻的花药通过无菌操作,接入试管后,在一定条件下形成试管苗的培育过程。下列相关叙述错误的是(　D　)

A.愈伤组织是花药细胞通过有丝分裂后形成的不规则的细胞团

B.在愈伤组织的形成过程中,必须从培养基中获得水、无机盐和小分子的有机物等营养物质

C.为促进花药细胞分裂生长,在培养基中应加入适宜浓度的生长素等植物激素

D.试管苗可能出现的基因型有AABB或AAbb或aaBB或aabb

解析:花药是通过减数分裂形成的,其基因型为AB或Ab或aB或ab,由花药发育而来的个体未经秋水仙素处理,是单倍体。

2.为探究矮牵牛原生质体的培养条件和植株再生能力,某研究小组的实验过程如下图。下列叙述正确的是(　D　)

A.过程①获得的原生质体需悬浮在30%蔗糖溶液中

B.过程②需提高生长素的比例以促进芽的分化

C.过程③需用秋水仙素处理诱导细胞壁再生

D.原生质体虽无细胞壁但仍保持细胞的全能性

解析:过程①是制备原生质体,获得的原生质体若悬浮在30%的蔗糖溶液中会失水皱缩;过程②是植物组织培养的再分化过程,需提高细胞分裂素的比例以促进芽的分化;秋水仙素的作用是抑制纺锤体的形成,且脱分化形成的愈伤组织细胞已经具备细胞壁,故过程③不需要用秋水仙素处理;原生质体虽无细胞壁,但含有细胞核,细胞核中含有个体发育所需的全部遗传信息,故原生质体仍保持细胞的全能性。

3.(2019·全国Ⅱ卷)植物组织培养技术在科学研究和生产实践中得到广泛的应用。回答下列问题:

(1)植物微型繁殖是植物繁殖的一种途径。与常规的种子繁殖方法相比,这种微型繁殖技术的特点有 

                  　(答出2点即可)。 

(2)通过组织培养技术,可把植物组织细胞培养成胚状体,再通过人工种皮(人工薄膜)包装得到人工种子(如图所示),这种人工种子在适宜条件下可萌发生长。人工种皮具备透气性的作用是　　　　　　　　　　　　　。人工胚乳能够为胚状体生长提供所需的物质,因此应含有植物激素、　　　　　　和　　　　等几类物质。 

(3)用脱毒苗进行繁殖,可以减少作物感染病毒。为了获得脱毒苗,可以选取植物的　　　　进行组织培养。 

(4)植物组织培养技术可与基因工程技术相结合获得转基因植株。将含有目的基因的细胞培养成一个完整植株的基本程序是　　　　　　　　　　　　　　(用流程图表示)。 

解析:(1)微型繁殖技术属于无性繁殖,具有能保持植物原有的遗传特性、繁殖速度快的特点。

(2)人工种子由胚状体、人工胚乳及人工种皮等组成。人工种皮常具备透气性,以保证胚状体的细胞呼吸,人工胚乳需含有胚状体生长所需要的物质,包括植物激素、矿质元素和糖等物质。

(3)为获得脱毒苗,一般选取植物的茎尖进行组织培养,因为茎尖组织细胞中几乎不含病毒。

(4)将含有目的基因的细胞培养成一个完整植株的基本程序,即组织培养过程,具体如下:含目的基因的细胞愈伤组织小植株。

答案:(1)能保持植物原有的遗传特性,繁殖速度快

(2)有利于胚状体进行呼吸作用　矿质元素　糖

(3)茎尖

(4)含目的基因的细胞愈伤组织小植株

题型二　植物体细胞工程及应用

4.“白菜—甘蓝”是用细胞工程的方法培育出来的蔬菜新品种,它具有生长期短和耐储藏等优点。下图是“白菜—甘蓝”的培育过程示意图,下列描述错误的是(　C　)

A.培育过程中,实现①②过程常用的物质为纤维素酶和果胶酶

B.过程③的诱导方法有物理法和化学法两种

C.⑤过程中进行的细胞分裂方式是减数分裂,形成的杂种植物幼苗遗传物质发生改变

D.植物体细胞杂交方法的优点是克服远缘杂交不亲和的障碍

解析:根据植物体细胞杂交技术可以确定①②是利用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁得到原生质体,③是两种细胞的原生质体融合,形成融合的原生质体,常用物理法和化学法两种诱导方法,其遗传物质发生了改变,是白菜细胞和甘蓝细胞遗传物质的集合,其细胞分裂方式为有丝分裂;植物体细胞杂交克服了远缘杂交不亲和的障碍。

5.(2019·黑龙江哈尔滨二模)紫草素是紫草细胞的代谢产物,可作为生产治疗烫伤药物的原料。研究人员通过培养紫草细胞生产紫草素。为了获取紫草素,某制药公司利用植物组织培养技术,从培养的愈伤组织中提取这种有效成分。请回答下列问题:

(1)培养时,通常选择新生的芽作为外植体,这是因为 　。 

将离体的芽培养在人工配制的培养基上,给予适宜的培养条件,诱导其依次产生　　　　　　、　　　　,最终形成完整的植株。 

(2)假设紫草与另一种植物A均为二倍体药用植物(紫草细胞中有2n条染色体,A植物细胞中有2m条染色体)。某药物研究所拟利用植物体细胞杂交技术培育同时含有两种有效成分的新型药用植物。为了得到原生质体需用　　　　酶和　　　　酶去除两植物的细胞壁,然后诱导其融合形成杂种细胞。 

(3)融合形成的杂种细胞在有丝分裂后期含有　　　　条染色体。杂种细胞培育成的新型药用植物为　　　　倍体,在这个过程中所利用的生物学原理是　　　　　　　　　　　　。 

解析:(1)由于新生芽的细胞分化程度低,容易诱导脱分化,因此组织培养时常以此作为外植体。将离体的芽培养在人工配制的培养基上,给予适宜的培养条件,诱导其依次产生愈伤组织和丛芽,最终形成完整的植株。

(2)去掉植物的细胞壁,常用纤维素酶和果胶酶处理。

(3)因为紫草和植物A均为二倍体,因此融合的杂种细胞中含染色体2(n+m),有丝分裂后期的染色体数目为4(n+m)。新型药用植物为四倍体。依据的原理是植物细胞具有全能性。

答案:(1)细胞分化程度低,容易诱导脱分化　愈伤组织

丛芽

(2)纤维素　果胶

(3)4(n+m)　四　植物细胞具有全能性

考点二　动物细胞培养和核移植技术

1.动物细胞培养

(1)地位:动物细胞工程常用的技术手段有动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合等。其中动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础。

(2)培养过程

(3)培养条件

①无菌、无毒环境

②营养:除糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素之外,通常还需加入血清、血浆等一些天然成分。

③适宜的温度:36.5±0.5 ℃;适宜的pH:7.2～7.4。

④气体环境

2.动物体细胞克隆技术(核移植技术)

(1)原理:动物细胞核具有全能性。

(2)核移植分类:胚胎细胞核移植和体细胞核移植。

(3)核移植过程(以克隆高产奶牛为例)

(4)应用

①加速家畜遗传改良进程,促进优良畜群繁育。

②保护濒危物种。

③生产医用蛋白。

④作为异种移植的供体。

⑤用于组织器官的移植。

1.动物细胞体外培养时,通常要在培养基中补充一定浓度的某些物质。如图是血清对正常细胞和癌细胞培养影响的实验结果。

(1)从该图提供的信息可以获得的正确结论有 　。 

提示:①有无血清对正常细胞培养的影响不同;②培养基中补充血清有助于正常细胞的培养;③培养基中是否补充血清对癌细胞的培养影响不大

(2)动物细胞培养时为什么要加入血清?

提示:因血清和血浆中含有多种维持细胞正常代谢和生长的物质,如蛋白质、氨基酸、未知的促生长因子等。因此细胞培养时,为保证细胞能顺利生长和繁殖,一般需添加血清、血浆等天然成分。

2.如图为动物体细胞核移植过程流程图,据图回答下列问题:

(1)去掉受体卵母细胞的核的目的是 　。 

提示:使核移植动物的遗传物质几乎全部来自有利用价值的动物提供的细胞核

(2)核移植的供体细胞一般都选10代以内的细胞,其原因是 　。 

提示:核移植时,做供核一方的一般是传代10代以内的细胞,原因是10代以内的细胞能保持正常的二倍体核型,遗传物质不发生改变

(3)动物体细胞核移植的难度高于胚胎细胞核移植的原因是 　。 

提示:动物胚胎的细胞分化程度低,恢复其全能性相对容易,而动物体细胞分化程度高,恢复其全能性十分困难

题型一　动物细胞培养过程及所需条件等

1.下列关于动物细胞培养的叙述,正确的是(　D　)

A.培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞

B.克隆培养法培养过程中多数细胞的基因型会发生改变

C.二倍体细胞的传代培养次数通常是无限的

D.恶性细胞系的细胞可进行传代培养

解析:由于细胞之间相互接触而发生接触抑制,细胞在培养瓶壁上只能形成单层的细胞;克隆培养法中细胞都是由一个细胞经过有丝分裂而来的,所以细胞的基因型相同,多数不会发生改变;二倍体细胞传代培养至10代多数会死亡,只有少数的细胞能够培养至50代以后成为细胞系,而恶性细胞系的细胞具有癌变的特点,能够无限增殖,可以进行传代培养。

2.对某种动物的肝肿瘤细胞进行细胞培养。下列说法错误的是(　B　)

A.在利用肝组织块制备细胞悬液时,可用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理

B.动物细胞培养应在含5%CO2的恒温培养箱中进行,CO2的作用是刺激细胞呼吸

C.为了防止动物细胞培养过程中细菌的污染,可向培养液中加入适量的抗生素

D.在合成培养基中,通常需加入血清、血浆等天然成分

解析:动物细胞培养一般用液体培养基,添加5%CO2的主要目的是调节培养液的pH,使之适合动物细胞的生存,而非刺激细胞的呼吸。

3.某研究小组进行药物试验时,以动物细胞为材料,测定药物对体外培养细胞的毒性,供养的细胞有甲、乙两种,甲为骨髓瘤细胞,乙为经免疫过的正常浆细胞,请答题:

(1)将数量相等的甲和乙分别置于培养瓶中培养,培养液及其他培养条件均相同且适宜。一段时间后,观察到的现象是　　　　　　　　。 

(2)动物细胞培养需要满足一定的条件,下列有关表述正确的有　　　　(选择填写下列条件前的序号)。 

①对培养液和培养用具进行无菌处理,在细胞培养液中添加一定量的抗生素,定期更换培养液,这些做法都有利于提供一个无菌无毒的培养环境;

②在使用合成培养基时,通常需加入血浆等天然成分;

③所有动物细胞培养的适宜温度均为36.5±0.5 ℃,多数哺乳动物细胞生存的适宜pH为7.0左右;

④动物细胞培养所需的气体只是O2,因为O2是细胞代谢所必需;

⑤培养液中需添加一定浓度和比例的生长素与细胞分裂素,以诱导细胞脱分化和再分化。

(3)药物试验需要大量细胞,甲、乙看来都不适合用于试药,理由是: 　　　　　　　　　　。 

(4)令甲、乙细胞融合,所获杂交细胞在体外培养条件下,具有　　　　　　　　　　　　的特点。 

(5)已知癌基因X过量表达与肝肿瘤的发生密切相关,要试验一种抗肿瘤药物Y对乙细胞生长的影响,可将乙细胞分为A、B两组,A组细胞培养液中加入Y药物,B组细胞培养液中加入无菌生理盐水,经培养后,从A、B两组收集等量细胞,通过分别检测X基因在A、B两组细胞中的　　　　　　　　　　合成水平的差异,确定Y的药效。 

解析:(1)骨髓瘤细胞在体外培养条件下能无限增殖,浆细胞在体外(体内)培养条件下不能增殖,已知甲细胞为骨髓瘤细胞,乙细胞为浆细胞。将数量相等的甲和乙分别置于培养瓶中培养,培养液及其他培养条件均相同且适宜。一段时间后,观察到的现象是甲增多,乙不增多。

(2)③细胞体外培养的适宜温度和动物体温相近,哺乳动物多以36.5±0.5 ℃为宜,多数动物细胞生存的适宜pH为7.2～7.4,③错误;④动物细胞培养所需的气体主要有氧气和二氧化碳,O2是细胞代谢所必需,二氧化碳主要维持培养液的pH,④错误;⑤动物细胞培养不需要添加植物激素,⑤错误。

(3)药物试验需要大量细胞,甲、乙看来都不适合用于试药,因为甲有部分基因已经发生了变异,药物对甲的效果不一定与正常体细胞的效果相同,乙在体外培养不能增殖,不能得到大量细胞用于试药。

(4)甲、乙细胞融合,所获杂交细胞在体外培养条件下,具有既能增殖,又能产生专一抗体的特点。

(5)已知基因X的表达与肝肿瘤的发生密切相关,而基因X的表达包括转录和翻译两个步骤,抗癌药物Y的作用可能是抑制基因X的转录过程,也可能是抑制其翻译过程,因此通过分别检测基因X在A、B两组细胞中的 mRNA和相关蛋白质合成水平的差异,可以确定Y的药效。

答案:(1)甲增多、乙不增多

(2)①②

(3)甲有部分基因已经发生变异,药物对甲的效果不一定与对正常体细胞的效果相同;乙在体外培养不能增殖,不能得到大量细胞用于试药

(4)既能增殖又能产生专一抗体

(5)mRNA和蛋白质

题型二　细胞核移植技术及应用

4.如图为克隆羊“多利”的培育过程示意图。下列各项有关表述不正确的是(　A　)

A.由于细胞核基因完全来自甲羊,所以克隆羊“多利”的性状与甲羊完全一致

B.克隆羊“多利”的培育过程中采用的生物技术有核移植

C.乙羊的去核卵细胞为重组细胞基因表达提供了细胞内的环境条件

D.此过程说明高度分化的动物细胞的细胞核具有全能性

解析:生物的性状是由细胞核基因和细胞质基因共同控制的,还要受环境的影响。题中“多利”羊的细胞核基因来自甲羊,而细胞质基因来自乙羊,所以“多利”羊的性状应与甲羊基本相同,同时受乙羊提供的质基因和环境的影响。

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

(1)概念:两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程,也称细胞杂交。

(2)条件:需要用聚乙二醇(PEG)、灭活的病毒或电激等诱导因素。

(3)原理:细胞膜的流动性。

(4)结果:形成具有原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞,称为杂交细胞。

(5)意义:突破了有性杂交方法的局限,使远缘杂交成为可能。已成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和生物新品种培育等的重要手段,为制造单克隆抗体开辟了新途径。

2.单克隆抗体制备

(1)制备过程

(2)优点:特异性强、灵敏度高,并可大量制备。

(3)用途:作为诊断试剂;制成“生物导弹”,用于治疗疾病和运载药物。

下图为单克隆抗体制备过程示意图。请分析并回答问题:

(1)制备过程中用到的技术有哪几种?(至少答出两条)。

提示:动物细胞融合、动物细胞培养。

(2)制备单克隆抗体至少需要经过几次筛选?将细胞混合并诱导融合后转到HAT培养基中培养,其目的是什么?

提示:两次。筛选获得杂交瘤细胞。

(3)通过过程③筛选得到的细胞还需进行过程④的专一性抗体检验,原因是什么?

提示:从小鼠体内提取的B淋巴细胞不止一种类型。

题型　动物细胞融合技术及单克隆抗体的制备

1.关于应用动物细胞工程技术获取单克隆抗X抗体的具体操作步骤如下,其中对单克隆抗体制备的相关叙述中不正确的是(　C　)

①将X抗原注入小鼠体内,获得能产生抗X抗体的B淋巴细胞

②从患骨髓瘤的小鼠体内获取骨髓瘤细胞

③利用促细胞融合因子使两种细胞发生融合

④将杂交瘤细胞注入小鼠腹腔培养

⑤筛选出能产生抗X抗体的杂交瘤细胞

⑥从腹水中提取抗体

A.实验顺序应当是①②③⑤④⑥

B.④过程中产生多个杂交瘤细胞也为克隆

C.③过程获得的细胞均可无限增殖

D.③到⑤的过程中通常要经过两次筛选

解析:③过程获得的细胞不都能无限增殖,如B淋巴细胞自身融合的细胞不能无限增殖,因此还需要用选择培养基进行筛选。

2.下图为某同学根据杂交瘤技术的方法,设计生产破伤风杆菌抗体的实验方案。请据图回答下列问题:

(1)制备单克隆抗体的过程中用到的动物细胞工程的技术手段有　　　　　　　　和　　　　　　　　。 

(2)制备单克隆抗体的免疫学基本原理是 　　　　　　　　　　　　　　。 

(3)该方案能达到预期效果吗?　　　　,原因是　 　。 

(4)图中过程②中常用　　　　　　作为诱导剂。如果能成功获得理想的杂交瘤细胞,该细胞的特点是　 

              　(答两点)。 

(5)破伤风杆菌的抗体最终可从　　　　　　　　和小鼠腹水中提取。 

解析:(1)由图中可看出,单克隆抗体制备过程,运用动物细胞融合和动物细胞培养的技术手段。

(2)制备单克隆抗体的免疫学基本原理是每一个B淋巴细胞只分泌一种特异性抗体。

(3)根据题意,要利用单克隆抗体制备技术生产破伤风抗体,需将抗原注射到小鼠体内,得到能产生此抗体的相应B淋巴细胞,再将相应B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,才能筛选出分泌破伤风抗体的杂交瘤细胞。而图中没有注射特定抗原,因此不能达到预期效果。

(4)图中②常用聚乙二醇、灭活的病毒、电刺激等作为诱导剂。该细胞的特点是既能在体外条件下大量增殖,又能产生特异性抗体。

(5)融合后的杂交瘤细胞可以注入到小鼠的腹腔进行培养,在小鼠的腹水中提取单克隆抗体;也可以在细胞培养液中进行培养,从培养液中提取破伤风杆菌抗体。

答案:(1)动物细胞培养　动物细胞融合

(2)每一个B淋巴细胞只分泌一种特异性抗体

(3)不能　没有将抗原注入小鼠体内,无法获得产生单一抗体的B淋巴细胞

(4)灭活的病毒　既能产生专一抗体,又能迅速大量繁殖

(5)细胞培养液

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1.两类细胞工程

(1)植物细胞工程技术:植物组织培养、植物体细胞杂交技术。

(2)动物细胞工程技术:动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合、制备单克隆抗体。

2.两类方法

(1)诱导植物体细胞的原生质体融合的方法:离心、振动、电激或用聚乙二醇(PEG)作为诱导剂。

(2)动物细胞融合常用的诱导方法:聚乙二醇(PEG)、灭活的病毒、电激。

3.两个优点

(1)植物体细胞杂交优点:克服远缘杂交不亲和的障碍,培育作物的新品种。

(2)杂交瘤细胞:既能产生单克隆抗体又能无限增殖。