浙科版（2019）生物必修一 第四章第二节 细胞通过分化产生不同类型的细胞学案（含解析）

第二节　细胞通过分化产生不同类型的细胞
说明在个体发育过程中,细胞在形态、结构和功能方面发生特异性的分化,形成了复杂的多细胞生物体。
　1.比较分析不同细胞形态差异的外在与内在表现,归纳、概括细胞分化的实质。
　2.分析细胞全能性的实例,归纳细胞全能性的概念。
　3.针对特定的现象,理性分析、讨论与细胞分化相关的社会议题。
一、细胞能产生特异性变化
1.细胞分化
细胞在形态、结构和功能上发生持久的、差异性变化的过程称为细胞分化。
2.干细胞
干细胞是一类可以分化成为各种细胞的未分化细胞。不同干细胞的分化潜能是不同的。
(1)受精卵是全能干细胞,因为它能产生生物体所需要的所有类型的细胞。
(2)来源于早期胚胎的胚胎干细胞是多能干细胞,它的分化能力仅次于受精卵,虽不能发育成完整的个体,但可以发育成为除部分胎盘以外的所有成体组织。
(3)主要存在于骨髓中的造血干细胞,能够分化成各种血细胞(红细胞、白细胞和血小板等),也能分化出造血系统以外的细胞。
3.细胞分化的原因
细胞分化并非由于遗传物质丢失造成的,它与遗传物质有选择地发挥作用有关。
4.细胞分化的特点
(1)持久性。
(2)普遍性。例如根尖中各种细胞都是由分生区细胞分化形成的。
(3)稳定性和不可逆性。正常情况下,细胞分化是不可逆的,一旦沿着一定方向分化,便不会返回原来的状态。
5.意义
生物的个体发育就是通过细胞的分化过程来实现的。生物体的正常发育,是细胞分化受到高度精妙调控的结果。前述的细胞癌变是细胞异常分化,导致细胞不受控制地分裂。
如图为细胞分化的实质图示,请据图思考并回答以下问题。
1.分化后的细胞,如红细胞、口腔上皮细胞等,所含有的基因相同吗 为什么
提示:相同。不同形态的细胞都是受精卵经分裂、分化形成的,具有相同的遗传物质,都具有图示中的A、B、C、D、E基因,即所含基因相同。
2.为什么分化后的细胞在形态、结构及功能上出现了比较大的差异
提示:据图分析,在不同细胞中,基因开启和关闭的情况不同,基因有选择地表达(开启和关闭),造成了细胞形态、结构及功能上的差异。
二、细胞具有全能性
　已分化的植物细胞和动物细胞的细胞核具有全能性的原因是什么
提示:已分化的植物细胞和动物细胞的细胞核都具有本物种遗传所需的全套基因(遗传物质)。
[自主学习检测]——教材基础熟记于心
1.细胞分裂使细胞数量增多,是个体生长的基础;细胞分化使细胞种类增多,是个体发育的基础。个体生长发育是细胞分裂和细胞分化共同作用的结果。(　√　)
2.在细胞分化过程中发生改变的是细胞的形态、结构和功能,未发生改变的是细胞核内遗传物质。(　√　)
3.细胞分化是遗传物质选择性丢失造成的,它与遗传物质有选择地发挥作用无关。(　×　)
提示:细胞分化遗传物质不变,与遗传物质有选择地发挥作用有关。
4.所有干细胞都要发生分化。干细胞分裂后只有一部分细胞发生分化。(　×　)
提示:并非所有干细胞都要发生分化。干细胞分裂后一部分细胞发生分化,成为具有特定功能的组织细胞;还有一部分保持分裂能力,用于干细胞本身的自我更新。
5.植物体上的细胞没有表现出全能性,而是分化成了不同的组织和器官,这说明植物细胞全能性的表达需要在离体条件下并需要一定的外界条件。(　√　)
任务一　探究细胞分化的实质
[任务突破1]
细胞分化实质的分析
(1)细胞分化的图示模型分析。
(2)细胞分化的意义。
细胞分化是个体发育的基础。个体发育是通过细胞增殖、生长和细胞分化来实现的。 细胞增殖只能使细胞的数目增多,细胞生长只能使细胞体积增大。只有通过细胞分化才能产生不同形态、不同结构、不同功能的细胞,使细胞功能趋向专门化,由这些不同的细胞再构成组织,进而形成器官、系统,提高了各种生理功能的效率。
(3)细胞分化的标志。
①从细胞水平分析:细胞的形态、结构和功能发生改变。
②从亚显微结构水平分析:细胞器的种类、数目及细胞溶胶成分和功能发生改变。
③从分子水平分析。
蛋白质角度:蛋白质种类、数量、功能发生改变。
基因角度:即遗传物质有选择地发挥作用,这是细胞分化的根本原因。
[迁移应用]
[典例1-1] (2022·金华十校高一期末)下图为发生在人体内的某一过程。下列叙述错误的是(　B　)
A.该过程属于细胞分化
B.该过程具有一定的方向性,且通常是可逆的
C.该过程与遗传物质有选择地发挥作用有关
D.图中各类细胞的遗传物质一般相同
解析:题图中表示造血干细胞分化为血小板、淋巴细胞和吞噬细胞的过程,该过程表示细胞分化;发生在人体内的细胞分化是不可逆的;细胞分化的实质是遗传物质有选择地发挥作用;细胞分化不改变细胞的遗传信息,因此图中各类细胞的遗传物质一般相同。
[任务突破2]
干细胞的分类及应用
(1)干细胞的分类。
分类方式 干细胞类型 特点
按来源 分类 胚胎干细胞 具有发育全能性,在理论上可以诱导分化为机体中所有种类的细胞
成体干细胞 能够自我更新并且能够特化形成组成该类型组织的细胞
诱导多功 能干细胞 人工方法诱导已完成分化的成熟细胞“去分化”
不同的分化潜能分类 全能干细胞 能分化形成任何类型细胞及完整个体
多能干细胞 可以发育成为除部分胎盘以外的所有成体组织,但失去了发育成完整个体的能力
专能干细胞 只能向单一方向分化,产生一种类型的细胞
(2)干细胞的应用。
①利用干细胞诱导分化成各种细胞、组织、器官,作为移植的来源。
②探讨胚胎发育的调控机制。
③作为疾病基因治疗的载体。
④体外整合外源基因,研究基因功能。
[迁移应用]
[典例1-2] 干细胞有着广泛的应用前景。下列相关叙述错误的是(　A　)
A.干细胞就是从胚胎中分离提取的细胞
B.不同类型的干细胞的分化潜能有差别
C.胚胎干细胞可以在体外分化成心肌细胞、神经元和造血干细胞
D.产生的特定细胞,可以用于新药测试
解析:干细胞不一定是从胚胎中分离提取的细胞,如造血干细胞是从骨髓中分离得到的;不同类型的干细胞的分化潜能有差别,如胚胎干细胞的分化潜能大于造血干细胞;胚胎干细胞具有发育的全能性,因此可以在体外分化成心肌细胞、神经元和造血干细胞;可以通过诱导干细胞分化,产生特定细胞用于新药测试。
任务二　细胞的全能性分析
[任务突破]
比较细胞分化与细胞全能性
项目 细胞分化 细胞全能性
原 理 细胞内基因有选择地发挥作用 细胞中含有本物种全套遗传物质
特 点 ①持久性:细胞分化贯穿于生物体整个生命进程中; ②稳定性和不可逆性:一般来说,分化了的细胞将一直保持分化后的状态,直至死亡; ③普遍性:生物界中普遍存在,是生物个体发育的基础 ①高度分化的植物体细胞具有全能性,植物细胞在离体的情况下,在一定的营养物质、激素和其他适宜的外界条件下,才能表现其全能性; ②动物已分化的体细胞全能性受限制,但细胞核仍具有全能性,如动物克隆技术
结 果
大 小 比 较 细胞分化程度有高低之分,体细胞>生殖细胞>受精卵 细胞全能性有大小之分,受精卵>生殖细胞>体细胞
关 系 ①两者的遗传物质都不发生改变;②一般细胞的分化程度越高,具有的全能性越小(生殖细胞分化程度高,全能性也高)
[迁移应用]
[典例2] 分析以下事实:①胡萝卜韧皮部细胞通过组织培养能发育成完整植株;②绵羊乳腺细胞核移入去核卵细胞中,融合细胞能发育成有生殖能力的绵羊。基于以上事实,下列选项错误的是(　A　)
A.高度分化的动植物细胞都具有全能性
B.高度分化的动物细胞核具有全能性
C.分化细胞中不表达的基因仍存在于细胞核中,并未消失
D.高度分化的植物细胞具有全能性
解析:事实②说明动物细胞的细胞核具有全能性,不能证明高度分化的动物细胞具有全能性;绵羊乳腺细胞核移入去核卵细胞中,融合细胞能发育成有生殖能力的绵羊,这说明高度分化的动物细胞核具有全能性;细胞分化的实质是基因有选择地发挥作用,遗传物质没有丢失,因此分化细胞中不表达的基因仍存在于细胞核中,并没有消失;事实①说明高度分化的植物细胞具有全能性。
基础达标练
1.(2022·七彩阳光新高考研究联盟高一期中)2017年中国科学院上海神经科学研究所利用体细胞核移植技术成功地克隆出两只克隆猴“中中”和“华华”。克隆猴的成功证明了已经分化的动物细胞的细胞核具有(　A　)
A.全能性 B.统一性
C.多样性 D.稳定性
解析:克隆猴“中中”和“华华”,是将体细胞核移植到去核的卵细胞中培育成的,这说明已分化的动物体细胞的细胞核具有发育成本物种的全套的遗传物质,具有全能性。
2.(2022·精诚联盟适应考)正常人体内的造血干细胞能产生各种血细胞,在体外某些因素的诱导下却可以分化为神经细胞和肝细胞。从本质上讲,说明造血干细胞(　D　)
A.具有分裂能力
B.容易发生基因突变
C.分化能力强
D.具有与受精卵相同的全套遗传物质
解析:造血干细胞能产生各种血细胞是细胞分化的结果,原因是遗传物质有选择地发挥作用。在体外某些因素的诱导下却可以分化为神经细胞和肝细胞。从本质上讲,说明造血干细胞具有与受精卵相同的全套遗传物质。
3.研究人员尝试打开皮肤细胞中与大脑细胞功能相关的基因并关闭无关基因,以诱导皮肤细胞转变成脑细胞。该过程模拟了下列生命活动中的(　C　)
A.细胞分裂 B.细胞生长
C.细胞分化 D.细胞变形
解析:打开皮肤细胞中与大脑细胞功能相关的基因并关闭无关基因,这是基因有选择地发挥作用,因此模拟的是细胞分化过程。
4.(2022·山水联盟联考)下列实例可以说明动物细胞也具有全能性的是(　B　)
A.皮肤伤口愈合 B.雄蜂的产生
C.克隆羊多莉的培育 D.蝾螈断尾的再生
解析:皮肤划破后伤口重新愈合,没有形成完整个体,因此不能体现细胞具有全能性;蜜蜂的未受精卵细胞发育成雄蜂,形成了完整个体,这说明动物细胞也具有全能性;克隆羊多莉的培育只能体现动物细胞的细胞核具有全能性;蝾螈断尾的再生,即蝾螈断尾后重新长出尾部,没有形成完整个体,不能体现动物细胞的全能性。
5.(2022·浙江7月学考)人体内的各种血细胞均起源于造血干细胞,造血干细胞增殖失控、分化障碍等会引发白血病。骨髓移植是目前治疗白血病的有效方法,原因是植入的造血干细胞可在患者体内(　D　)
A.迅速发生衰老并凋亡
B.癌变成无限增殖的细胞
C.不断长大成为巨型细胞
D.增殖并分化出各种血细胞
解析:分析题意可知,造血干细胞增殖失控、分化障碍等会引发白血病,而人体内的各种血细胞均起源于造血干细胞,故植入的造血干细胞可在患者体内增殖并分化出各种血细胞,能够正常执行功能,从而治疗白血病。
6.(2022·Z20名校联盟联考)脐带血中含有丰富的造血干细胞,可用于重建人体造血和免疫系统。下列叙述正确的是(　B　)
A.分化过程中遗传物质发生改变
B.红细胞和免疫细胞在结构功能上存在差异
C.造血干细胞的全能性大于胚胎干细胞
D.造血干细胞具有无限增殖的能力
解析:分化过程中遗传物质不改变,与基因有选择地发挥作用有关;红细胞和免疫细胞是经分化产生的不同细胞,在结构功能上存在差异;胚胎干细胞的分化程度比造血干细胞低,因此其全能性比造血干细胞的全能性高;造血干细胞是正常细胞,不具有无限增殖的能力,癌细胞才具有无限增殖的能力。
7.下列关于细胞分化及细胞全能性的叙述,错误的是(　A　)
A.受精卵、动物和人体的早期胚胎细胞、植物体的分生组织细胞没有发生分化,所以没有全能性
B.细胞分化使多细胞生物体中的细胞趋向专门化,有利于提高生物体各种生理功能的效率
C.细胞分化是一种持久性的变化,一般来说,分化的细胞将一直保持分化后的状态,直至死亡
D.一般来说,细胞的分化程度越高,全能性就越小
解析:受精卵没有发生分化,具有全能性,动物和人体的早期胚胎细胞、植物体的分生组织细胞已经发生分化,但仍具有全能性;细胞分化使多细胞生物体中的细胞趋向专门化,有利于提高生物体各种生理功能的效率;细胞分化是一种持久性的变化,一般来说,分化的细胞将一直保持分化后的状态,直至死亡;一般来说,细胞的分化程度越高,全能性就越小。
8.(2022·丽水高一期末)科学家通过一定的方法将小鼠的体细胞诱导为iPS细胞。该类型细胞能发生如图所示的变化,则推断iPS细胞(　C　)
A.属于受精卵 B.属于衰老细胞
C.能分裂分化 D.能发育成小鼠幼体
解析:由图可知,iPS细胞能够增殖分化成甲状腺细胞、肌细胞、神经细胞和肝脏细胞,属于多能干细胞,是具有分裂和分化能力的细胞。
9.中国科学家将人皮肤纤维母细胞诱导成为多能干细胞,如图中①②代表过程,甲～戊代表不同的细胞,下列相关叙述错误的是(　D　)
A.甲的全能性比乙小
B.乙具有分裂和分化能力
C.甲、乙、丁、戊细胞中都含有血红蛋白基因
D.②过程中细胞的形态结构和遗传物质发生稳定性变化
解析:甲为人皮肤纤维母细胞,已经高度分化,而乙为多能干细胞,保留分裂和分化能力,因此甲的全能性比乙小;乙为多能干细胞,保留了分裂和分化能力;甲人工诱导分化成乙,而乙又分化出丙、丁、戊细胞,细胞分化前后遗传物质保持不变,因此甲、乙、丁、戊细胞中都含有血红蛋白基因;②过程属于细胞分化过程,细胞的形态结构发生变化,但遗传物质一般没有改变。
10.(2022·浙江十校联考)在细胞的生命历程中,会出现分裂、分化等现象。下列叙述错误的是(　B　)
A.细胞的有丝分裂对生物性状的遗传有贡献
B.哺乳动物的造血干细胞是未经分化的细胞
C.细胞分化是细胞内遗传物质有选择地发挥作用的结果
D.通过组织培养可将植物叶肉细胞培育成新的植株
解析:哺乳动物的造血干细胞是已经分化的细胞,只是仍具有分裂与分化能力。
11.如图是某细胞分裂和分化的概念图,据图回答下列有关问题。
(1)图中A表示的是　　　　 　　过程,图中B表示的是　　　　 　　过程。
(2)图中b、c、d、e具有相同的　　　　　　。
(3)若e能合成血红蛋白,则b、c、d都　　　 　(填“能”或“不能”)合成,其主要原因是　 　。
(4)若a为植物细胞,而d能在体外条件下培养成一个植物体,说明d具有　　 　　性。
(5)若a、b、c、d、e这五个细胞相比,哪一个细胞的全能性是最大的 　　 　　。
解析:分析图示可知,图中A表示细胞分裂过程,图中B表示细胞分化过程;分化过程中遗传物质不变,故b、c、d、e具有相同的遗传物质;
e能合成血红蛋白,一般而言,b、c、d都不能合成,原因是遗传物质有选择地发挥作用(细胞分化)造成不同细胞在结构、功能和生理状态上存在差异,b、c、d控制合成血红蛋白的基因处于关闭状态;植物细胞在体外条件下培养成一个植物体说明其具有全能性;细胞分化程度越高,全能性越小,故全能性最大的是细胞a。
答案:(1)细胞分裂　细胞分化　(2)遗传物质　(3)不能　 控制合成血红蛋白的基因处于关闭状态　(4)全能　(5)a
12.科学家将取自胡萝卜根部的单个细胞进行体外培养,可以得到完整的新植株,过程如图,①～⑥表示操作顺序。请回答下列问题。
(1)①和②表示将胡萝卜根的一部分分离成单个细胞,③表示单个细胞进行有丝分裂,分裂后产生的每个细胞染色体数目　　　　(填“相同”或“不同”)。
(2)愈伤组织经过④形成胚状体的过程中,细胞在形态、结构和功能上逐渐向不同方向发生变化,这种现象称为　　　　　　。在此过程中,不同种类的细胞中遗传信息的表达情况不同,即　　　　　　　　　。
(3)本实验说明胡萝卜根细胞仍具有发育成完整有机体的潜能,这就是细胞的　　　　　　　。
(4)将白色绵羊体细胞核移入黑色绵羊的去核卵细胞中,培育出了克隆羊多莉,而单独培养白色绵羊的体细胞则不能得到完整新个体,说明 　。
解析:(1)有丝分裂过程染色体经过复制后均分,单个细胞进行有丝分裂,分裂后产生的每个细胞染色体数目相同。
(2)愈伤组织经过④形成胚状体的过程中,细胞在形态、结构和功能上逐渐向不同方向发生变化,这种现象称为细胞分化。在此过程中,不同种类的细胞中遗传信息的表达情况不同,即基因有选择地发挥作用。
(3)本实验说明胡萝卜根细胞仍具有发育成完整有机体的潜能,这就是细胞的全能性。
(4)将白色绵羊体细胞核移入黑色绵羊的去核卵细胞中,培育出了克隆羊多莉,而单独培养白色绵羊的体细胞则不能得到完整新个体,说明动物体细胞的细胞核具有全能性,而动物体细胞的全能性表现受到限制。
答案:(1)相同
(2)细胞分化　基因有选择地发挥作用
(3)全能性
(4)动物体细胞的细胞核具有全能性,而动物体细胞的全能性表现受到限制
综合提升练
13.有人取同种生物的不同类型细胞,检测其基因表达,结果如图。下列有关图示的分析正确的是(　C　)
A.在基因1～8中,控制核糖体蛋白质合成的基因最有可能是基因5
B.若基因1～8中有一个是控制细胞呼吸酶的基因,则最可能是基因7
C.功能最为近似和差异最大的细胞分别是1与6、5与7
D.细胞分化使不同细胞中蛋白质完全不同,从而导致细胞的形态和功能各不相同
解析:蛋白质是生命活动的主要承载者,合成场所是核糖体,而2基因在每种细胞中都表达,所以控制核糖体蛋白质合成的基因最有可能是基因2;细胞呼吸酶基因在每种细胞中都表达,所以最可能是基因2;据图分析,细胞1表达1～5基因,细胞6表达2～5基因,表达的相同基因最多,差异表达的基因最少,则细胞1和细胞6基因表达最相似,差异最大的是细胞5和细胞7;细胞分化的实质是基因有选择地发挥作用,但某些基因在各细胞中均表达,如呼吸酶基因等,故细胞分化使不同细胞中蛋白质不完全相同。
14.干细胞移植现已成为治疗糖尿病的一种临床新技术。自体骨髓干细胞植入胰腺组织后可分化为胰岛样细胞,以替代损伤的胰岛细胞,达到治疗糖尿病的目的。下列叙述正确的是(　D　)
A.骨髓干细胞分化为胰岛样细胞只有细胞分化过程
B.骨髓干细胞与胰岛样细胞大部分基因相同,所以可以表达出相同的蛋白质
C.在体外培养的条件下,骨髓干细胞经过分化形成胰岛样细胞可以体现细胞的全能性
D.骨髓干细胞比胰岛样细胞全能性高,分化程度低
解析:骨髓干细胞分化为胰岛样细胞包括细胞分裂和细胞分化过程;骨髓干细胞与胰岛样细胞是由同一个受精卵经分裂分化形成的,它们所含基因都相同;细胞全能性是指已经分化的细胞,仍然具有发育成完整生物体的潜能,只分化成胰岛样细胞不能体现细胞的全能性;骨髓干细胞比胰岛样细胞全能性高,分化程度低。
15.细胞中的基因可分为管家基因(所有细胞中均要表达的基因)和奢侈基因(不同类型细胞中特异性表达的基因)两类,如表为人体三种不同细胞中的基因存在及表达情况。请回答下列问题。
项目 基因存在情况 基因表达情况
甲 乙 丙 丁 甲 乙 丙 丁
胰岛β细胞 √ √ √ √ √ √
眼晶状体细 胞(胚胎中) √ √ √ √ √ √
神经细胞 √ √ √ √ √ √
(1)四种基因中可能属于管家基因的是　　　　。
(2)甲基因　　　　(填“能”或“不能”)表示控制胰岛素合成的基因,理由是　 　。
(3)由以上分析可知,细胞分化的实质是　　　　(填“管家基因”或“奢侈基因”)有选择地发挥作用。细胞分化的结果是　 。
(4)三种细胞都有甲、乙、丙、丁四种基因的根本原因是　　　　　　。
解析:(1)四种基因中只有丁基因在所有细胞中都表达,故丁属于管家基因。
(2)胰岛素基因只能在胰岛β细胞中表达,因此甲基因能表示控制胰岛素合成的基因。
(3)细胞分化的实质是奢侈基因有选择地发挥作用。细胞分化的结果是形成功能不同的组织。
(4)三种细胞都有甲、乙、丙、丁四种基因的根本原因是细胞分化过程中遗传物质不变。
答案:(1)丁
(2)能　胰岛素基因只能在胰岛β细胞中表达
(3)奢侈基因　形成功能不同的组织
(4)细胞分化过程中遗传物质不变