【学案】第2章 细胞工程：第1节第1课时 植物细胞工程的基本技术（word版含解析）
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| 名称 | 【学案】第2章 细胞工程：第1节第1课时 植物细胞工程的基本技术（word版含解析） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 506.8KB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-03-14 09:27:29 | ||
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文档简介
细胞工程：
第1节 植物细胞工程 第1课时 植物细胞工程的基本技术
学有目标——新课程标准必明 记在平时——核心语句必背
1.阐明细胞全能性的概念。 2．概述植物组织培养的基本过程。 3．描述植物体细胞杂交技术的基本过程。 4．尝试进行菊花的组织培养。 1.植物组织培养的基本过程： ―→ 2．植物组织培养技术的理论基础是植物细胞的全能性，植物体细胞杂交技术的理论基础是细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。 3．去除细胞壁制备原生质体用到的酶是纤维素酶和果胶酶。 4．人工诱导原生质体融合的方法有物理法(电融合法和离心法)和化学法(聚乙二醇融合法、高Ca2＋高pH融合法)。
一、理清主干知识
一、细胞工程的概念与分类
原理和方法 细胞生物学、分子生物学和发育生物学
操作水平 细胞器、细胞或组织水平
目的 获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品
分类 植物细胞工程和动物细胞工程
二、细胞的全能性
1．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。
2．生物体内细胞不能表现全能性的原因：在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达。
三、植物组织培养技术
1．概念：将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。
2．理论基础：植物细胞的全能性。
3．基本过程
(1)脱分化：在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化，即失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成愈伤组织的过程。
(2)愈伤组织：脱分化产生的不定形的薄壁组织团块。
(3)再分化：愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。
4．菊花的组织培养
四、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．过程
(1)过程①表示去除细胞壁。
(2)过程②表示诱导原生质体融合。
(3)过程③表示杂种细胞再生出细胞壁。
(4)过程④和⑤分别表示脱分化和再分化。
3．意义：在打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面展示出独特的优势。
二、诊断自学效果
1．判断下列叙述的正误
(1)高度分化的成熟叶肉细胞不具有细胞的全能性(×)
(2)植物种子萌发形成幼苗体现了植物细胞的全能性(×)
(3)植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出细胞的全能性(×)
(4)愈伤组织是外植体经脱分化和再分化后形成的(×)
(5)无论脱分化还是再分化过程中均需提供光照(×)
(6)利用物理法或化学法可以直接将两个植物细胞诱导融合(×)
2．下列有关细胞工程的叙述，错误的是( )
A．细胞工程应用了细胞生物学、分子生物学及发育生物学的原理和方法
B．在细胞水平或细胞器水平上完成操作
C．可分为植物细胞工程、动物细胞工程和细菌细胞工程
D．可按照人的意愿改变细胞内的遗传物质或获得细胞产物
解析：选C 细胞工程应用的是细胞生物学、分子生物学及发育生物学的原理和方法，A正确；细胞工程是在细胞水平或细胞器水平上的操作，B正确；根据操作对象的不同，可以分为植物细胞工程和动物细胞工程两大领域，C错误；细胞工程可按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品，D正确。
3．如图表示用某二倍体植株进行植物组织培养的过程，下列说法正确的是( )
A．①→②进行的是减数分裂
B．②的分化程度高于①
C．③是具有分裂、分化能力的薄壁细胞
D．该过程体现了植物细胞的全能性
解析：选D 在植物组织培养过程中涉及有丝分裂，没有减数分裂，A错误；②是愈伤组织，①为离体的植物组织、器官或细胞，②的分化程度低于①，B错误；②是具有分裂、分化能力的薄壁细胞，C错误；该过程表示用某二倍体植株进行植物组织培养的过程，体现了植物细胞的全能性，D正确。
4．如图为植物体细胞杂交过程示意图。下列有关利用植物细胞A和B培育成为杂种植株过程的叙述，错误的是( )
A．②过程利用了细胞膜的流动性
B．该过程利用了细胞融合技术和植物组织培养技术
C．该过程能够体现植物细胞的全能性
D．杂种植株能表现植物A、B的所有优良性状
解析：选D 该图为植物体细胞杂交过程示意图。过程①②③是植物体细胞杂交过程，运用了细胞融合技术，体现了细胞膜具有一定的流动性；④⑤是植物组织培养过程，培育成杂种植株，体现了植物细胞的全能性；杂种植株的基因选择性表达，不能表现出植物A、B的所有优良性状。
[在探究中学明]
无论是绚丽多姿的花草，还是碧绿参天的大树，大多是通过播种或扦插实现繁殖的。其实在一定的条件下，利用它们的一片叶子、一片花瓣，甚至一粒花粉，同样可以繁殖出新的植株。观察胡萝卜植物组织培养的流程图，回答相关问题：
1．植物组织培养的基本过程
―→
(1)①过程表示脱分化，A是愈伤组织，②过程表示再分化。
(2)离体的植物器官、组织或细胞通常称为外植体。
(3)在植物组织培养过程中，启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素是生长素和细胞分裂素。
2．植物组织培养技术的理论基础是植物细胞的全能性，为什么植物细胞具有全能性？
提示：植物细胞具有全能性的原因：一般来说，生物体的细胞中都含有该物种所特有的全套遗传物质，都有发育成为完整个体所必需的全部遗传信息。
3．在生物体内，细胞并不表现出全能性，而是分化为不同的组织、器官，其原因是什么？
提示：细胞全能性表达的基本条件之一是离体状态。
例如：植株上的分生组织细胞在体内只能进行分裂分化，形成不同的组织，但不能表现出全能性，这是因为在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达。
4．在植物组织培养的过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？
提示：培养物一旦受到微生物的污染，这些微生物会和外植体争夺培养基中的营养物质，并且产生大量对外植体有害的物质，导致外植体死亡。
[在深化中提能]
1．植物细胞的全能性
(1)原因：生物体的每一个细胞都含有该物种所特有的全套遗传物质。
(2)全能性表现的条件：①离体状态；②一定的营养物质；③植物激素；④其他适宜的外界条件(温度、pH、光照、氧气、无菌等)。
2．植物激素在植物组织培养中的作用
(1)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因素。
(2)按照不同的顺序使用生长素和细胞分裂素，会得到不同的实验结果。
使用顺序 实验结果
先使用生长素，后使用细胞分裂素 有利于细胞分裂，但细胞不分化
先使用细胞分裂素，后使用生长素 细胞既分裂又分化
同时使用 分化频率提高
(3)生长素和细胞分裂素的比例影响植物细胞的发育方向。
生长素/细胞分裂素 作用效果
比值高时 促进根的分化、抑制芽的形成
比值低时 促进芽的分化、抑制根的形成
比值适中 促进愈伤组织的形成
[巧学妙记] 巧记生长素和细胞分裂素的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”。
3．植物组织培养过程中应注意的问题
(1)接种时注意外植体的方向，应将外植体的形态学下端插入培养基，不能倒插。
(2)培养一株完整的试管苗，必须先进行生芽培养，再进行生根培养。如果顺序颠倒，先诱导生根，就不好诱导生芽了。
(3)菊花植物组织培养中，愈伤组织的形成一般不需要光照，而在后续的培养过程中，需要一定量的光照。
(4)试管苗一般在高湿、弱光、恒温等条件下培养生长，出瓶后一定要注意保温、保湿。
(5)试管苗的光合作用能力弱，在移栽前应给予较强光照闭瓶炼苗，以促进幼苗向自养苗转化。
(2020·黄冈期中)如图为烟草植物组织培养过程的流程图，下列有关叙述错误的是( )
A．过程③发生脱分化，其实质是基因的选择性表达
B．过程②应根据要求使用适宜的培养基，在避光的环境中进行
C．对过程①获取的根组织块应做消毒处理
D．植物组织培养的理论基础是植物细胞的全能性
[解析] 过程③发生再分化，其实质是基因的选择性表达，A错误；过程②为脱分化，应根据要求使用适宜的培养基，在避光的环境中进行，否则不能形成愈伤组织，B正确；对过程①获取的根组织块(外植体)应做消毒处理，C正确；植物组织培养的理论基础是植物细胞的全能性，D正确。
[答案] A
[在应用中落实]
1．(2020·北京东城区期末)下列关于植物组织培养的叙述中，正确的是( )
A．萝卜韧皮部细胞在不离体的情况下可以通过脱分化形成愈伤组织
B．组织培养过程中应给予适当光照以促进愈伤组织的光合作用
C．培养基中的生长素和细胞分裂素会影响愈伤组织的生长和分化
D．以一株植物的叶片或花药为外植体培育的植株基因型相同
解析：选C 萝卜韧皮部细胞只有在离体的情况下才可以通过脱分化形成愈伤组织，A错误；愈伤组织不含叶绿体，不能进行光合作用，B错误；培养基中的生长素与细胞分裂素的使用顺序和比例会影响愈伤组织的生长和分化，C正确；由于花药中花粉是经减数分裂形成的，因此以一株植物的叶片或花药为外植体培育的植株基因型不相同，D错误。
2．青蒿素是治疗疟疾的特效药物，中国科学家屠呦呦因在抗疟疾药物青蒿素的提取方面做出了突出贡献而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。下图为利用组织培养获得含青蒿素较高的黄花蒿的基本流程。试回答下列问题：
(1)青蒿素通过使疟原虫的线粒体内膜脱落，导致其________________过程受阻，使细胞缺乏________________而不能正常增殖。
(2)图中①、②代表的生理过程分别是______________。此过程除营养物质外还必须向培养基中添加__________________________________。植物组织培养的主要原理是________________。
(3)组织培养过程中外植体通常选取黄花蒿的分生区组织的原因是________________________，愈伤组织中提取不到青蒿素的原因是__________________________。过程②和过程③使用的培养基中，细胞分裂素比例较高的是过程________。
(4)某小组得到的黄花蒿幼苗叶片颜色为黄色，可能的原因是培养基中没有添加________元素，也可能是____________________。
解析：(1)线粒体内膜是有氧呼吸第三阶段的反应场所，所以青蒿素通过使疟原虫的线粒体内膜脱落，会导致有氧呼吸第三阶段过程受阻，使细胞缺乏能量供应而不能正常增殖。(2)分析图示，①表示脱分化，②表示再分化诱导生芽。培养基中需添加营养物质和植物激素(生长素和细胞分裂素)。植物组织培养的主要原理是植物细胞的全能性。(3)分生区组织的细胞生长较为旺盛，容易得到愈伤组织，因此常作为组织培养过程中外植体的材料，愈伤组织中提取不到青蒿素的原因是相关基因没有在愈伤组织中表达。过程②表示再分化诱导生芽，过程③表示诱导生根，细胞分裂素有利于生芽，生长素有利于生根，所以过程②细胞分裂素比例较高。(4)某小组得到的黄花蒿幼苗叶片颜色为黄色，即为类胡萝卜素的颜色，缺少叶绿素，可能的原因是培养基中没有添加镁元素，也可能是培育过程中没有给予光照。
答案：(1)有氧呼吸(第三阶段) 能量供应
(2)脱分化、再分化 植物激素(或生长素和细胞分裂素) 植物细胞的全能性 (3)生长较为旺盛，容易得到愈伤组织 相关基因没有在愈伤组织中表达 ② (4)镁 培育过程中没有给予光照
[在探究中学明]
经过长期的实验，科学家们采用体细胞杂交的方法，终于得到了“番茄马铃薯”杂种植株。分析植物体细胞杂交技术流程图，回答下列问题：
1．植物体细胞杂交的基本过程
(1)过程①为去除细胞壁获得具有活力的原生质体，所用到的酶是纤维素酶和果胶酶。
(2)过程②是原生质体的融合，其原理是细胞膜的流动性，人工诱导的物理法包括电融合法和离心法等；化学法包括聚乙二醇融合法和高Ca2＋高pH融合法等。
(3)过程③是原生质体融合后再生出细胞壁，过程④是植物组织培养技术。
2．在植物体细胞杂交过程中，原生质体融合的过程利用的生物学原理是细胞膜的流动性，杂种细胞发育成杂种植株利用的生物学原理是植物细胞的全能性。
3．植物体细胞融合形成杂种细胞是否标志着植物体细胞杂交技术的完成？
提示：不是，细胞融合成功的标志是杂种原生质体再生出细胞壁形成杂种细胞，植物体细胞杂交完成的标志是培育出杂种植株，而不是形成杂种细胞。
4．只考虑两两融合，原生质体A和B可以形成几种融合细胞？哪种融合细胞才是符合要求的？
提示：三种类型：AA、BB、AB；只有AB型才是符合要求的。
5．从结果上看杂种植株在遗传上有何特点？从杂种植株的染色体组成上看属于何种变异？
提示：遗传物质来自两个亲本，具有双亲的遗传性状；染色体数目增加，属于染色体数目的变异。
6．从新品种培育的角度分析，植物体细胞杂交技术最大的优点是什么？
提示：克服了不同种植物远缘杂交的障碍，使不同种植物杂交成为可能。
[在深化中提能]
1．植物体细胞杂交过程中的要点剖析
(1)细胞融合体现细胞膜的流动性；杂种细胞发育成杂种植株体现植物细胞的全能性。
(2)与传统有性杂交相比，植物体细胞杂交具有的优越性
①克服植物远缘杂交不亲和的障碍；
②打破物种之间的生殖隔离；
③扩大遗传重组的范围。
(3)植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖且浓度略大于植物细胞质浓度，原因是蔗糖溶液不仅为原生质体提供营养，而且还能维持一定的渗透压，使原生质体保持正常的形态。
(4)体细胞融合后，培养基中的细胞有三类：①未融合的细胞(A和B)；②两两融合的细胞(AA、BB和AB)；③多细胞融合体。只有AB型细胞是我们需要的杂种细胞，因此还应有一个筛选过程。
2．体细胞杂交过程中涉及的遗传知识
(1)从生殖类型上看，植物体细胞杂交技术没有生殖细胞的形成和结合，属于无性生殖，变异类型属于染色体数目的变异，形成的是异源多倍体，由于含有两个亲本的遗传物质，因此理论上应具有两个亲本的遗传性状。
(2)体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管染色体、基因组还是染色体组都是两亲本之和。若一植物细胞含有2x条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb，另一植物细胞含有2y条染色体，2个染色体组，基因型为ccDd，则新植株应为异源四倍体，其体细胞中染色体数为(2x＋2y)条，含4个染色体组，基因型为AabbccDd。
(3)培育杂种植株的过程中，遗传物质的传递不遵循孟德尔遗传定律，只有进行有性生殖的生物经减数分裂形成配子时才符合遗传定律，而体细胞杂交没有上述过程。
以下为植物体细胞杂交技术流程图，其中甲和乙分别表示两种二倍体植物细胞，所含有的染色体组分别是AA和BB。据图分析，下列叙述正确的是( )
A．经过程①获得的a、b称为原生质层
B．c细胞只有AABB这一种类型
C．过程④和⑤分别是分化和再分化
D．获得的植物d，因为在减数分裂时同源染色体能正常配对，所以理论上是可育的
[解析] 经①去除植物细胞壁过程获得的a、b称为原生质体，A错误；两两融合的细胞类型有三种：AAAA、BBBB、AABB，B错误；过程④和⑤分别是脱分化和再分化，C错误；植物体细胞杂交，获得的植物d，因为其同源染色体在减数分裂时能正常配对，所以理论上是可育的，D正确。
[答案] D
[在应用中落实]
1．(2020·乌鲁木齐一模)萝卜和甘蓝是亲缘关系较近的两种植物，萝卜体细胞的染色体组成可表示为2N＝AA＝18，甘蓝体细胞的染色体组成可表示为2N＝BB＝18。科研人员利用萝卜和甘蓝培育作物新品种，将萝卜与甘蓝杂交，收获种子并培育成F1植株。下列相关叙述正确的是( )
A．F1可通过自交产生同时具有萝卜和甘蓝优良性状的后代
B．用一定浓度的秋水仙素处理F1的叶肉细胞可使染色体数目加倍
C．F1体细胞的染色体组成可表示为2N＝AB＝18
D．萝卜与甘蓝可杂交产生F1，说明二者不存在生殖隔离
解析：选C 萝卜和甘蓝杂交产生的后代高度不育，所以F1不能通过自交产生同时具有萝卜和甘蓝优良性状的后代，A错误；F1的叶肉细胞已高度分化，不再分裂，所以用一定浓度的秋水仙素处理F1的叶肉细胞不能使染色体数目加倍，B错误；萝卜产生的配子染色体组成可表示为N＝A＝9，甘蓝产生的配子染色体组成可表示为N＝B＝9，所以萝卜与甘蓝杂交，F1体细胞的染色体组成可表示为2N＝AB＝18，C正确；萝卜与甘蓝可杂交产生F1，F1植株细胞中不含同源染色体，高度不育，说明二者存在生殖隔离，D错误。
2．(2020·邢台期末)玉米(2N＝20)和水稻(2M＝24)均为二倍体植物，某实验小组拟用体细胞杂交技术培育富含β胡萝卜素的“黄金大米”植株，过程设计如图所示。请回答下列问题：
(1)①为原生质体的制备过程，该过程需要的酶是________________，制备原生质体的过程不能在清水中进行，以防止________________。
(2)原生质体融合过程体现了细胞膜________________的结构特点。
(3)图中融合的杂种细胞中含有________个染色体组，该杂种细胞培育形成的植株的精原细胞在减数分裂过程中能产生________个四分体。
(4)③过程__________(填“需要”或“不需要”)在光下进行，⑤过程中愈伤组织分化的方向与培养基中____________________有关。
解析：(1)①为原生质体的制备过程，通常用酶解法。由于细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，所以该过程需要的酶是纤维素酶和果胶酶。由于细胞壁对细胞有支持和保护作用，所以制备原生质体的过程不能在清水中进行，以防止原生质层吸水涨破。(2)原生质体融合过程体现了细胞膜具有一定流动性的结构特点。(3)由于玉米(2N＝20)和水稻(2M＝24)均为二倍体植物，所以图中融合的杂种细胞中含有4个染色体组，该杂种细胞含有22对44条染色体，所以培育形成的植株的精原细胞在减数分裂过程中能产生22个四分体。(4)③过程为杂种细胞再生出细胞壁，不需要在光下进行，⑤过程中愈伤组织分化的方向与培养基中植物激素的种类和比例有关。
答案：(1)纤维素酶和果胶酶 原生质层吸水涨破 (2)具有一定流动性 (3)4 22 (4)不需要 植物激素的种类和比例
[课堂巩固落实]
1．如图为植物组织培养的过程示意图。下列叙述正确的是( )
①②③―→④
A．①必须脱离母体后，才可能完成上述过程
B．②由排列疏松的薄壁细胞组成，没有全能性
C．②→③的再分化过程中，只利用细胞分裂素即可诱导②生根
D．在上述植物组织培养过程中不需要光照条件
解析：选A 分析题图可知，①②③④依次代表外植体(离体的植物器官、组织或细胞)、愈伤组织、根或芽、植株。植物体的器官、组织或细胞只有处于离体状态时，才可能表现出全能性，发育成完整的植株。愈伤组织细胞具有全能性。生根还是发芽取决于激素的种类、浓度和用量比例等，当生长素与细胞分裂素比值高时，有利于生根；比值低时，有利于发芽。植物组织培养中某些阶段需要光照。
2．(2020·天津期末)科学家将番茄和马铃薯细胞利用图示技术获得了“番茄马铃薯”植株。下列有关叙述正确的是( )
A．图示技术涉及的原理有细胞膜的流动性、植物细胞的全能性等
B．过程②可用电激、聚乙二醇或灭活的病毒诱导原生质体融合
C．e、f的培养基中只需添加无机营养成分即可
D．f培养基中生长素与细胞分裂素的配比与e培养基中的相同
解析：选A 图示过程为植物体细胞杂交，图示技术涉及的原理有细胞膜的流动性、植物细胞的全能性等，A正确；过程②为原生质体融合，可用电激、聚乙二醇等诱导原生质体融合，不能用灭活的病毒诱导原生质体融合，B错误；e、f为植物组织培养的培养基，需提供无机营养成分、有机营养成分和植物激素等，C错误；f培养基为再分化培养基，其中生长素与细胞分裂素的配比与e脱分化培养基中的不同，D错误。
3．(2019·江苏高考)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图。下列叙述正确的是( )
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：选D 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，A错误；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，B错误；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，C错误；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，D正确。
4．(2019·全国卷Ⅲ)培养胡萝卜根组织可获得试管苗，获得试管苗的过程如图所示。
切取洁净的
胡萝卜根段 ―→对根段进
行消毒 ―→切取1 cm3左右带有
形成层的组织块 ―→接种
组织块 ―→诱导组织块形成
愈伤组织 ―→诱导愈伤组织形成
试管苗
回答下列问题。
(1)利用胡萝卜根段进行组织培养可以形成试管苗。用分化的植物细胞可以培养成完整的植株，这是因为植物细胞具有________________________。
(2)步骤③切取的组织块中要带有形成层，原因是____________________________。
(3)从步骤⑤到步骤⑥需要更换新的培养基，其原因是_____________________________________________________________________________。在新的培养基上愈伤组织通过细胞的________过程，最终可形成试管苗。
(4)步骤⑥要进行照光培养，其作用是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)经组织培养得到的植株，一般可保持原品种的________，这种繁殖方式属于________繁殖。
解析：(1)植物细胞具有全能性，故用分化的植物细胞可以培养成完整的植株。(2)形成层细胞分化程度低、全能性高，易培养成功，所以要选取含有形成层的组织进行组织培养。(3)培养愈伤组织过程中，需要一定的营养和激素诱导等条件，步骤⑤和步骤⑥在培养过程中需要的生长素和细胞分裂素的浓度、用量比例不同，所以从步骤⑤到步骤⑥需要更换新的培养基。在培养基上愈伤组织通过细胞的分化(再分化)过程，最终可形成试管苗。(4)试管苗需要照光培养，以便诱导叶绿素的形成，使试管苗能够进行光合作用，培养成正常的植株。(5)组培植株是在离体植物器官、组织、细胞等培养的基础上获得的，其理论基础是植物细胞具有全能性，其一般可以保持优良品种的遗传特性。植物组织培养技术没有经过两性生殖细胞的融合，因此属于无性繁殖。
答案：(1)全能性(或答：形成完整植株所需的全部基因)
(2)形成层容易诱导形成愈伤组织 (3)诱导愈伤组织形成和诱导愈伤组织分化形成试管苗所需的生长素和细胞分裂素的比例不同 分化(或答：再分化) (4)诱导叶绿素的形成，使试管苗能够进行光合作用 (5)遗传特性 无性
第1节 植物细胞工程 第1课时 植物细胞工程的基本技术
学有目标——新课程标准必明 记在平时——核心语句必背
1.阐明细胞全能性的概念。 2．概述植物组织培养的基本过程。 3．描述植物体细胞杂交技术的基本过程。 4．尝试进行菊花的组织培养。 1.植物组织培养的基本过程： ―→ 2．植物组织培养技术的理论基础是植物细胞的全能性，植物体细胞杂交技术的理论基础是细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。 3．去除细胞壁制备原生质体用到的酶是纤维素酶和果胶酶。 4．人工诱导原生质体融合的方法有物理法(电融合法和离心法)和化学法(聚乙二醇融合法、高Ca2＋高pH融合法)。
一、理清主干知识
一、细胞工程的概念与分类
原理和方法 细胞生物学、分子生物学和发育生物学
操作水平 细胞器、细胞或组织水平
目的 获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品
分类 植物细胞工程和动物细胞工程
二、细胞的全能性
1．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。
2．生物体内细胞不能表现全能性的原因：在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达。
三、植物组织培养技术
1．概念：将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。
2．理论基础：植物细胞的全能性。
3．基本过程
(1)脱分化：在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化，即失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成愈伤组织的过程。
(2)愈伤组织：脱分化产生的不定形的薄壁组织团块。
(3)再分化：愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。
4．菊花的组织培养
四、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．过程
(1)过程①表示去除细胞壁。
(2)过程②表示诱导原生质体融合。
(3)过程③表示杂种细胞再生出细胞壁。
(4)过程④和⑤分别表示脱分化和再分化。
3．意义：在打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面展示出独特的优势。
二、诊断自学效果
1．判断下列叙述的正误
(1)高度分化的成熟叶肉细胞不具有细胞的全能性(×)
(2)植物种子萌发形成幼苗体现了植物细胞的全能性(×)
(3)植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出细胞的全能性(×)
(4)愈伤组织是外植体经脱分化和再分化后形成的(×)
(5)无论脱分化还是再分化过程中均需提供光照(×)
(6)利用物理法或化学法可以直接将两个植物细胞诱导融合(×)
2．下列有关细胞工程的叙述，错误的是( )
A．细胞工程应用了细胞生物学、分子生物学及发育生物学的原理和方法
B．在细胞水平或细胞器水平上完成操作
C．可分为植物细胞工程、动物细胞工程和细菌细胞工程
D．可按照人的意愿改变细胞内的遗传物质或获得细胞产物
解析：选C 细胞工程应用的是细胞生物学、分子生物学及发育生物学的原理和方法，A正确；细胞工程是在细胞水平或细胞器水平上的操作，B正确；根据操作对象的不同，可以分为植物细胞工程和动物细胞工程两大领域，C错误；细胞工程可按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品，D正确。
3．如图表示用某二倍体植株进行植物组织培养的过程，下列说法正确的是( )
A．①→②进行的是减数分裂
B．②的分化程度高于①
C．③是具有分裂、分化能力的薄壁细胞
D．该过程体现了植物细胞的全能性
解析：选D 在植物组织培养过程中涉及有丝分裂，没有减数分裂，A错误；②是愈伤组织，①为离体的植物组织、器官或细胞，②的分化程度低于①，B错误；②是具有分裂、分化能力的薄壁细胞，C错误；该过程表示用某二倍体植株进行植物组织培养的过程，体现了植物细胞的全能性，D正确。
4．如图为植物体细胞杂交过程示意图。下列有关利用植物细胞A和B培育成为杂种植株过程的叙述，错误的是( )
A．②过程利用了细胞膜的流动性
B．该过程利用了细胞融合技术和植物组织培养技术
C．该过程能够体现植物细胞的全能性
D．杂种植株能表现植物A、B的所有优良性状
解析：选D 该图为植物体细胞杂交过程示意图。过程①②③是植物体细胞杂交过程，运用了细胞融合技术，体现了细胞膜具有一定的流动性；④⑤是植物组织培养过程，培育成杂种植株，体现了植物细胞的全能性；杂种植株的基因选择性表达，不能表现出植物A、B的所有优良性状。
[在探究中学明]
无论是绚丽多姿的花草，还是碧绿参天的大树，大多是通过播种或扦插实现繁殖的。其实在一定的条件下，利用它们的一片叶子、一片花瓣，甚至一粒花粉，同样可以繁殖出新的植株。观察胡萝卜植物组织培养的流程图，回答相关问题：
1．植物组织培养的基本过程
―→
(1)①过程表示脱分化，A是愈伤组织，②过程表示再分化。
(2)离体的植物器官、组织或细胞通常称为外植体。
(3)在植物组织培养过程中，启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素是生长素和细胞分裂素。
2．植物组织培养技术的理论基础是植物细胞的全能性，为什么植物细胞具有全能性？
提示：植物细胞具有全能性的原因：一般来说，生物体的细胞中都含有该物种所特有的全套遗传物质，都有发育成为完整个体所必需的全部遗传信息。
3．在生物体内，细胞并不表现出全能性，而是分化为不同的组织、器官，其原因是什么？
提示：细胞全能性表达的基本条件之一是离体状态。
例如：植株上的分生组织细胞在体内只能进行分裂分化，形成不同的组织，但不能表现出全能性，这是因为在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达。
4．在植物组织培养的过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？
提示：培养物一旦受到微生物的污染，这些微生物会和外植体争夺培养基中的营养物质，并且产生大量对外植体有害的物质，导致外植体死亡。
[在深化中提能]
1．植物细胞的全能性
(1)原因：生物体的每一个细胞都含有该物种所特有的全套遗传物质。
(2)全能性表现的条件：①离体状态；②一定的营养物质；③植物激素；④其他适宜的外界条件(温度、pH、光照、氧气、无菌等)。
2．植物激素在植物组织培养中的作用
(1)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因素。
(2)按照不同的顺序使用生长素和细胞分裂素，会得到不同的实验结果。
使用顺序 实验结果
先使用生长素，后使用细胞分裂素 有利于细胞分裂，但细胞不分化
先使用细胞分裂素，后使用生长素 细胞既分裂又分化
同时使用 分化频率提高
(3)生长素和细胞分裂素的比例影响植物细胞的发育方向。
生长素/细胞分裂素 作用效果
比值高时 促进根的分化、抑制芽的形成
比值低时 促进芽的分化、抑制根的形成
比值适中 促进愈伤组织的形成
[巧学妙记] 巧记生长素和细胞分裂素的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”。
3．植物组织培养过程中应注意的问题
(1)接种时注意外植体的方向，应将外植体的形态学下端插入培养基，不能倒插。
(2)培养一株完整的试管苗，必须先进行生芽培养，再进行生根培养。如果顺序颠倒，先诱导生根，就不好诱导生芽了。
(3)菊花植物组织培养中，愈伤组织的形成一般不需要光照，而在后续的培养过程中，需要一定量的光照。
(4)试管苗一般在高湿、弱光、恒温等条件下培养生长，出瓶后一定要注意保温、保湿。
(5)试管苗的光合作用能力弱，在移栽前应给予较强光照闭瓶炼苗，以促进幼苗向自养苗转化。
(2020·黄冈期中)如图为烟草植物组织培养过程的流程图，下列有关叙述错误的是( )
A．过程③发生脱分化，其实质是基因的选择性表达
B．过程②应根据要求使用适宜的培养基，在避光的环境中进行
C．对过程①获取的根组织块应做消毒处理
D．植物组织培养的理论基础是植物细胞的全能性
[解析] 过程③发生再分化，其实质是基因的选择性表达，A错误；过程②为脱分化，应根据要求使用适宜的培养基，在避光的环境中进行，否则不能形成愈伤组织，B正确；对过程①获取的根组织块(外植体)应做消毒处理，C正确；植物组织培养的理论基础是植物细胞的全能性，D正确。
[答案] A
[在应用中落实]
1．(2020·北京东城区期末)下列关于植物组织培养的叙述中，正确的是( )
A．萝卜韧皮部细胞在不离体的情况下可以通过脱分化形成愈伤组织
B．组织培养过程中应给予适当光照以促进愈伤组织的光合作用
C．培养基中的生长素和细胞分裂素会影响愈伤组织的生长和分化
D．以一株植物的叶片或花药为外植体培育的植株基因型相同
解析：选C 萝卜韧皮部细胞只有在离体的情况下才可以通过脱分化形成愈伤组织，A错误；愈伤组织不含叶绿体，不能进行光合作用，B错误；培养基中的生长素与细胞分裂素的使用顺序和比例会影响愈伤组织的生长和分化，C正确；由于花药中花粉是经减数分裂形成的，因此以一株植物的叶片或花药为外植体培育的植株基因型不相同，D错误。
2．青蒿素是治疗疟疾的特效药物，中国科学家屠呦呦因在抗疟疾药物青蒿素的提取方面做出了突出贡献而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。下图为利用组织培养获得含青蒿素较高的黄花蒿的基本流程。试回答下列问题：
(1)青蒿素通过使疟原虫的线粒体内膜脱落，导致其________________过程受阻，使细胞缺乏________________而不能正常增殖。
(2)图中①、②代表的生理过程分别是______________。此过程除营养物质外还必须向培养基中添加__________________________________。植物组织培养的主要原理是________________。
(3)组织培养过程中外植体通常选取黄花蒿的分生区组织的原因是________________________，愈伤组织中提取不到青蒿素的原因是__________________________。过程②和过程③使用的培养基中，细胞分裂素比例较高的是过程________。
(4)某小组得到的黄花蒿幼苗叶片颜色为黄色，可能的原因是培养基中没有添加________元素，也可能是____________________。
解析：(1)线粒体内膜是有氧呼吸第三阶段的反应场所，所以青蒿素通过使疟原虫的线粒体内膜脱落，会导致有氧呼吸第三阶段过程受阻，使细胞缺乏能量供应而不能正常增殖。(2)分析图示，①表示脱分化，②表示再分化诱导生芽。培养基中需添加营养物质和植物激素(生长素和细胞分裂素)。植物组织培养的主要原理是植物细胞的全能性。(3)分生区组织的细胞生长较为旺盛，容易得到愈伤组织，因此常作为组织培养过程中外植体的材料，愈伤组织中提取不到青蒿素的原因是相关基因没有在愈伤组织中表达。过程②表示再分化诱导生芽，过程③表示诱导生根，细胞分裂素有利于生芽，生长素有利于生根，所以过程②细胞分裂素比例较高。(4)某小组得到的黄花蒿幼苗叶片颜色为黄色，即为类胡萝卜素的颜色，缺少叶绿素，可能的原因是培养基中没有添加镁元素，也可能是培育过程中没有给予光照。
答案：(1)有氧呼吸(第三阶段) 能量供应
(2)脱分化、再分化 植物激素(或生长素和细胞分裂素) 植物细胞的全能性 (3)生长较为旺盛，容易得到愈伤组织 相关基因没有在愈伤组织中表达 ② (4)镁 培育过程中没有给予光照
[在探究中学明]
经过长期的实验，科学家们采用体细胞杂交的方法，终于得到了“番茄马铃薯”杂种植株。分析植物体细胞杂交技术流程图，回答下列问题：
1．植物体细胞杂交的基本过程
(1)过程①为去除细胞壁获得具有活力的原生质体，所用到的酶是纤维素酶和果胶酶。
(2)过程②是原生质体的融合，其原理是细胞膜的流动性，人工诱导的物理法包括电融合法和离心法等；化学法包括聚乙二醇融合法和高Ca2＋高pH融合法等。
(3)过程③是原生质体融合后再生出细胞壁，过程④是植物组织培养技术。
2．在植物体细胞杂交过程中，原生质体融合的过程利用的生物学原理是细胞膜的流动性，杂种细胞发育成杂种植株利用的生物学原理是植物细胞的全能性。
3．植物体细胞融合形成杂种细胞是否标志着植物体细胞杂交技术的完成？
提示：不是，细胞融合成功的标志是杂种原生质体再生出细胞壁形成杂种细胞，植物体细胞杂交完成的标志是培育出杂种植株，而不是形成杂种细胞。
4．只考虑两两融合，原生质体A和B可以形成几种融合细胞？哪种融合细胞才是符合要求的？
提示：三种类型：AA、BB、AB；只有AB型才是符合要求的。
5．从结果上看杂种植株在遗传上有何特点？从杂种植株的染色体组成上看属于何种变异？
提示：遗传物质来自两个亲本，具有双亲的遗传性状；染色体数目增加，属于染色体数目的变异。
6．从新品种培育的角度分析，植物体细胞杂交技术最大的优点是什么？
提示：克服了不同种植物远缘杂交的障碍，使不同种植物杂交成为可能。
[在深化中提能]
1．植物体细胞杂交过程中的要点剖析
(1)细胞融合体现细胞膜的流动性；杂种细胞发育成杂种植株体现植物细胞的全能性。
(2)与传统有性杂交相比，植物体细胞杂交具有的优越性
①克服植物远缘杂交不亲和的障碍；
②打破物种之间的生殖隔离；
③扩大遗传重组的范围。
(3)植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖且浓度略大于植物细胞质浓度，原因是蔗糖溶液不仅为原生质体提供营养，而且还能维持一定的渗透压，使原生质体保持正常的形态。
(4)体细胞融合后，培养基中的细胞有三类：①未融合的细胞(A和B)；②两两融合的细胞(AA、BB和AB)；③多细胞融合体。只有AB型细胞是我们需要的杂种细胞，因此还应有一个筛选过程。
2．体细胞杂交过程中涉及的遗传知识
(1)从生殖类型上看，植物体细胞杂交技术没有生殖细胞的形成和结合，属于无性生殖，变异类型属于染色体数目的变异，形成的是异源多倍体，由于含有两个亲本的遗传物质，因此理论上应具有两个亲本的遗传性状。
(2)体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管染色体、基因组还是染色体组都是两亲本之和。若一植物细胞含有2x条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb，另一植物细胞含有2y条染色体，2个染色体组，基因型为ccDd，则新植株应为异源四倍体，其体细胞中染色体数为(2x＋2y)条，含4个染色体组，基因型为AabbccDd。
(3)培育杂种植株的过程中，遗传物质的传递不遵循孟德尔遗传定律，只有进行有性生殖的生物经减数分裂形成配子时才符合遗传定律，而体细胞杂交没有上述过程。
以下为植物体细胞杂交技术流程图，其中甲和乙分别表示两种二倍体植物细胞，所含有的染色体组分别是AA和BB。据图分析，下列叙述正确的是( )
A．经过程①获得的a、b称为原生质层
B．c细胞只有AABB这一种类型
C．过程④和⑤分别是分化和再分化
D．获得的植物d，因为在减数分裂时同源染色体能正常配对，所以理论上是可育的
[解析] 经①去除植物细胞壁过程获得的a、b称为原生质体，A错误；两两融合的细胞类型有三种：AAAA、BBBB、AABB，B错误；过程④和⑤分别是脱分化和再分化，C错误；植物体细胞杂交，获得的植物d，因为其同源染色体在减数分裂时能正常配对，所以理论上是可育的，D正确。
[答案] D
[在应用中落实]
1．(2020·乌鲁木齐一模)萝卜和甘蓝是亲缘关系较近的两种植物，萝卜体细胞的染色体组成可表示为2N＝AA＝18，甘蓝体细胞的染色体组成可表示为2N＝BB＝18。科研人员利用萝卜和甘蓝培育作物新品种，将萝卜与甘蓝杂交，收获种子并培育成F1植株。下列相关叙述正确的是( )
A．F1可通过自交产生同时具有萝卜和甘蓝优良性状的后代
B．用一定浓度的秋水仙素处理F1的叶肉细胞可使染色体数目加倍
C．F1体细胞的染色体组成可表示为2N＝AB＝18
D．萝卜与甘蓝可杂交产生F1，说明二者不存在生殖隔离
解析：选C 萝卜和甘蓝杂交产生的后代高度不育，所以F1不能通过自交产生同时具有萝卜和甘蓝优良性状的后代，A错误；F1的叶肉细胞已高度分化，不再分裂，所以用一定浓度的秋水仙素处理F1的叶肉细胞不能使染色体数目加倍，B错误；萝卜产生的配子染色体组成可表示为N＝A＝9，甘蓝产生的配子染色体组成可表示为N＝B＝9，所以萝卜与甘蓝杂交，F1体细胞的染色体组成可表示为2N＝AB＝18，C正确；萝卜与甘蓝可杂交产生F1，F1植株细胞中不含同源染色体，高度不育，说明二者存在生殖隔离，D错误。
2．(2020·邢台期末)玉米(2N＝20)和水稻(2M＝24)均为二倍体植物，某实验小组拟用体细胞杂交技术培育富含β胡萝卜素的“黄金大米”植株，过程设计如图所示。请回答下列问题：
(1)①为原生质体的制备过程，该过程需要的酶是________________，制备原生质体的过程不能在清水中进行，以防止________________。
(2)原生质体融合过程体现了细胞膜________________的结构特点。
(3)图中融合的杂种细胞中含有________个染色体组，该杂种细胞培育形成的植株的精原细胞在减数分裂过程中能产生________个四分体。
(4)③过程__________(填“需要”或“不需要”)在光下进行，⑤过程中愈伤组织分化的方向与培养基中____________________有关。
解析：(1)①为原生质体的制备过程，通常用酶解法。由于细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，所以该过程需要的酶是纤维素酶和果胶酶。由于细胞壁对细胞有支持和保护作用，所以制备原生质体的过程不能在清水中进行，以防止原生质层吸水涨破。(2)原生质体融合过程体现了细胞膜具有一定流动性的结构特点。(3)由于玉米(2N＝20)和水稻(2M＝24)均为二倍体植物，所以图中融合的杂种细胞中含有4个染色体组，该杂种细胞含有22对44条染色体，所以培育形成的植株的精原细胞在减数分裂过程中能产生22个四分体。(4)③过程为杂种细胞再生出细胞壁，不需要在光下进行，⑤过程中愈伤组织分化的方向与培养基中植物激素的种类和比例有关。
答案：(1)纤维素酶和果胶酶 原生质层吸水涨破 (2)具有一定流动性 (3)4 22 (4)不需要 植物激素的种类和比例
[课堂巩固落实]
1．如图为植物组织培养的过程示意图。下列叙述正确的是( )
①②③―→④
A．①必须脱离母体后，才可能完成上述过程
B．②由排列疏松的薄壁细胞组成，没有全能性
C．②→③的再分化过程中，只利用细胞分裂素即可诱导②生根
D．在上述植物组织培养过程中不需要光照条件
解析：选A 分析题图可知，①②③④依次代表外植体(离体的植物器官、组织或细胞)、愈伤组织、根或芽、植株。植物体的器官、组织或细胞只有处于离体状态时，才可能表现出全能性，发育成完整的植株。愈伤组织细胞具有全能性。生根还是发芽取决于激素的种类、浓度和用量比例等，当生长素与细胞分裂素比值高时，有利于生根；比值低时，有利于发芽。植物组织培养中某些阶段需要光照。
2．(2020·天津期末)科学家将番茄和马铃薯细胞利用图示技术获得了“番茄马铃薯”植株。下列有关叙述正确的是( )
A．图示技术涉及的原理有细胞膜的流动性、植物细胞的全能性等
B．过程②可用电激、聚乙二醇或灭活的病毒诱导原生质体融合
C．e、f的培养基中只需添加无机营养成分即可
D．f培养基中生长素与细胞分裂素的配比与e培养基中的相同
解析：选A 图示过程为植物体细胞杂交，图示技术涉及的原理有细胞膜的流动性、植物细胞的全能性等，A正确；过程②为原生质体融合，可用电激、聚乙二醇等诱导原生质体融合，不能用灭活的病毒诱导原生质体融合，B错误；e、f为植物组织培养的培养基，需提供无机营养成分、有机营养成分和植物激素等，C错误；f培养基为再分化培养基，其中生长素与细胞分裂素的配比与e脱分化培养基中的不同，D错误。
3．(2019·江苏高考)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图。下列叙述正确的是( )
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：选D 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，A错误；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，B错误；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，C错误；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，D正确。
4．(2019·全国卷Ⅲ)培养胡萝卜根组织可获得试管苗，获得试管苗的过程如图所示。
切取洁净的
胡萝卜根段 ―→对根段进
行消毒 ―→切取1 cm3左右带有
形成层的组织块 ―→接种
组织块 ―→诱导组织块形成
愈伤组织 ―→诱导愈伤组织形成
试管苗
回答下列问题。
(1)利用胡萝卜根段进行组织培养可以形成试管苗。用分化的植物细胞可以培养成完整的植株，这是因为植物细胞具有________________________。
(2)步骤③切取的组织块中要带有形成层，原因是____________________________。
(3)从步骤⑤到步骤⑥需要更换新的培养基，其原因是_____________________________________________________________________________。在新的培养基上愈伤组织通过细胞的________过程，最终可形成试管苗。
(4)步骤⑥要进行照光培养，其作用是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)经组织培养得到的植株，一般可保持原品种的________，这种繁殖方式属于________繁殖。
解析：(1)植物细胞具有全能性，故用分化的植物细胞可以培养成完整的植株。(2)形成层细胞分化程度低、全能性高，易培养成功，所以要选取含有形成层的组织进行组织培养。(3)培养愈伤组织过程中，需要一定的营养和激素诱导等条件，步骤⑤和步骤⑥在培养过程中需要的生长素和细胞分裂素的浓度、用量比例不同，所以从步骤⑤到步骤⑥需要更换新的培养基。在培养基上愈伤组织通过细胞的分化(再分化)过程，最终可形成试管苗。(4)试管苗需要照光培养，以便诱导叶绿素的形成，使试管苗能够进行光合作用，培养成正常的植株。(5)组培植株是在离体植物器官、组织、细胞等培养的基础上获得的，其理论基础是植物细胞具有全能性，其一般可以保持优良品种的遗传特性。植物组织培养技术没有经过两性生殖细胞的融合，因此属于无性繁殖。
答案：(1)全能性(或答：形成完整植株所需的全部基因)
(2)形成层容易诱导形成愈伤组织 (3)诱导愈伤组织形成和诱导愈伤组织分化形成试管苗所需的生长素和细胞分裂素的比例不同 分化(或答：再分化) (4)诱导叶绿素的形成，使试管苗能够进行光合作用 (5)遗传特性 无性