3.2 通过体细胞杂交可获得新的植物体-教学设计

教学设计
课程基本信息
学科 高中生物 年级 高二年级 学期 春季
课题 通过植物体细胞杂交获得新的植物体
教学目标
1. 举例说明植物体细胞杂交技术的概念，运用结构与功能观等生命观念分析其基本原理。（生命观念） 2.概述植物体细胞杂交的一般过程。（科学思维） 3.举例说明植物体细胞杂交技术的应用价值，关注技术进步对人类生产、生活的影响。（社会责任）
教学内容
教学重点： 植物体细胞杂交的过程和应用价值。
教学难点：
植物体细胞杂交的过程。
教学过程
【导入】 教师活动：提出话题，番茄和马铃薯都是人们爱吃的食物，有没有可能让一种植物“地上结出番茄果实，地下长出马铃薯块茎”？（学生思考回答：无性繁殖。） 教师活动：把两种植物嫁接一下，想法很好，也可以成功培育，但这种并不是性状稳定的植物品种。那传统的有性杂交方法可以吗？（学生思考回答：不行。） 教师活动：为什么？（学生思考回答：因为这两种植物之间存在着生殖隔离。） 教师活动：那么，怎样才能得到“你中有我，我中有你”且性状稳定的“马铃薯—番茄”植株呢？ 【植物体细胞杂交概念】 科学史展示： 1978年梅尔彻斯等首次利用植物体细胞杂交获得了马铃薯和番茄的属间体细胞杂种“马铃薯-番茄”植株。提出植物体杂交细胞概念。 教师活动：是指将两个来自不同种植物的体细胞融合成一个杂种细胞， 并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。 【原生质体】 思考从细胞的结构上分析，什么细胞结构会阻碍着细胞间的融合？（学生思考回答：细胞壁。） 教师活动：思考如何去掉细胞壁？（学生思考回答：利用酶的专一性，主要用纤维素酶和果胶酶水解植物细胞壁。） 教师活动：去除植物细胞壁后的细胞结构，包括细胞膜、细胞质和细胞核，为球形的原生质体，这是显微镜下的球形原生质体。但要注意与原生质层的区别。成熟植物细胞的细胞膜、液泡膜和介于这两层膜之间的细胞质属于原生质层，原生质层不包含细胞液和细胞核，所以同学们不要混淆这两个概念。 整理：跟普通植物细胞相比，原生质体有哪些优点：①没有了坚硬致密的细胞壁的阻碍，植物细胞之间的融合得以实现；②没有细胞壁的阻碍，原生质体更容易被转入外源基因，是植物基因工程的理想受体；③与完整细胞一样具有全能性，仍可产生细胞壁，经诱导分化成完整植株。学习到现在为止，同学们对原生质体应该有了一定的认识。 【过渡——植物体细胞杂交过程】 我们从两个方面展开学习本节课内容《通过植物体细胞杂交获得新的植物体》，一成功培养原生质体是植物体细胞杂交技术的基础，二由杂种细胞培育出的新植物体可能会具有新的性状，也可分步骤为原生质体的获取、融合与植物组培进行学习。 【原生质体的获取、培养】 要获得高质量的原生质体，应选择分裂旺盛，再分化能力强的材料，如根尖、愈伤组织等。 在用酶解法降解细胞壁之前，先用较高渗透压处理，一般置于0.5~0.6mol/L的甘露醇或一定浓度的蔗糖溶液环境中，目的使细胞处于微弱的质壁分离状态，这样有利于完整的原生质体的释放，防止原生质体被破坏。 为避免杂菌污染，纤维素酶、果胶酶用可用无菌的G6玻璃砂漏斗过滤灭菌，为了加速酶解也可采取真空泵抽引渗透处理，促进酶液进入细胞间隙，后放置摇床，可以获取原生质体。 这是显微镜下植物细胞酶解结果，除完整未损伤的原生质体外，还含有许多杂质，如细胞碎片、叶绿体、未被消化的细胞组织和破裂的原生质体，因此必须把这些杂质除掉，这就需要分离纯化原生质体。 如何纯化？沉降法（低速离心法）是最常用的方法，将过滤和离心相结合，置于离心管离心，原生质体沉于离心管底部，残液碎屑漂浮于上清液；去上清液后，再把沉淀物重新悬浮于清洗培养基中反复3次，即可纯化原生质体。 影响原生质体分离的数量和质量的因素有很多：比如材料的种类和生理状态；酶的种类、酶解时间和温度；酶液的浓度；分离与纯化的方法等。 纯化好了原生质体，还需进一步检测其活力，如何检测？（学生思考。） 我们可以根据已学知识去推导，通过教材实验“观察叶绿体和细胞质流动”可以想到“胞质环流法”、通过模拟实验探究膜的透过性可以想到“染色法”，通过“观察植物细胞的质壁分离及质壁分离复原现象”可以想到“渗透吸水或失水”，还有荧光标记法，氧摄入量评价法，形态观察法。 举个例子，荧光标记法(FDA法)， FDA本身没有极性，无荧光，可以穿过细胞膜自由出入细胞，在细胞中不能积累。在活细胞中，FDA经酯酶分解为荧光素，后者为具有荧光的极性物质，不能自由出入细胞膜，从而在细胞中积累。在紫外光照射下，发出绿色荧光。相反如果是死细胞，则不会发出绿色荧光。 小结：获取好所需的高质量原生质体，还需培养在适宜的环境中，成功培养原生质体是植物体细胞杂交技术的基础。 对于这方面的科研成果颇丰，1960年英国植物生理学家科金用酶解法去除植物细胞壁，分离出了植物原生质体。1971年科研人员首次由原生质体获得了烟草再生植株。据不完全统计，至少有400多种植物的原生质体经培养后成功再生植株。我国科研人员已获得50多种植物的原生质体再生植株。 原生质体培养成功标志着植物细胞工程技术又向前迈进了一步，为植物细胞工程和基因工程的研究提供了先进的实验体系，具有重要的理论研究和实际应用价值。细胞杂交技术的基础。 【原生质体的融合】 原生质体的融合可用物理和化学方法，前者常用电刺激、离心、振荡，后者常用聚乙二醇（PEG）等，利用细胞膜流动性的原理进行原生质体融合。以电刺激为例，第一排是装置图，活细胞互相紧密接触前提下，给予短暂的高压脉冲，引起细胞膜的穿透，随后细胞膜发生结合导致细胞融合，左下角第一张是通电之前，旁边是通电几分钟后原生质体在融合，最右边是显微镜下电场中的原生质体融合，圈出来的都在融合。 原生质体融合是在一定密度的细胞群体下进行，请同学们思考在此过程，一定是番茄和马铃薯原生质体融合吗？（同学们都在摇头，表示不止。）那培养基中可能出现哪些细胞类型？①未融合的细胞： A、B；②两两融合的细胞：AA、BB、AB；③多细胞融合体；④部分融合。因此诱导融合后的产物是混合物，要获得杂种细胞需进行鉴定和筛选。 拓展一下，仅供了解，鉴定和筛选杂种细胞的常用方法：（1）机械选择法。利用两种原生质体的某些可见标志（如形态、颜色等差异），对融合产物进行鉴别，筛选出杂种细胞进行单独培养。对于在形态、颜色上难以区分的原生质体融合形成的异核体，可利用不同荧光素分别标记两亲本的原生质体，然后进行诱导融合，在荧光显微镜下选择同时带有两种荧光标记的杂种细胞。 （2）互补选择法。这种方法的原理是利用现成的或诱发产生的各种缺陷型或抗性型的突变体细胞作为融合实验的材料。由于突变体均不能在特定的选择培养基上生长，而能在该培养基上正常生长的是互补的杂种细胞，因此可将其筛选出来。 （3）组织培养筛选法。根据植物细胞对培养基成分和培养条件的要求与反应不同，可作为选择杂种细胞的依据。利用这种特性或人为地造成杂种细胞生长和分化能力的差异来进行杂种细胞的选择。 诱导成功的标志就是融合的原生质体经培养后再生出新的细胞壁，影响原生质体再生壁的因素有植物基因型、供体细胞的分化程度、培养基成分、渗透压、有些植物加聚乙二醇有利于细胞壁发育。注意：再生出细胞壁是其能进行有丝分裂的前提，且再生细胞壁之后，要逐步降低渗透压。 【植物组织培养】 杂种细胞具有全能性。通过植物组织培养获得新植株，但一定会表现出“地上结出番茄果实，地下长出马铃薯块茎”的双亲性状吗？其实1978年梅尔彻斯等用植物体细胞杂交技术培育出的 “马铃薯-番茄”植株，外型倾向于番茄植株，花和叶具有杂种的特点，并结有畸形的小果实，但在根部没有形成块茎。因此杂种植物也需要鉴定和选育。 拓展：杂种植株鉴定的方法有形态学鉴定、细胞学鉴定和DNA分子标记鉴定，其中最有效的方法是DNA分子标记鉴定。 美国的科学家曾经选择了两种烟草进行原生质体融合，这两种烟草,一种是产量很高的栽培品种,一种是抗病害能力很强的野生种，融合的细胞再经过培养,长成了一株面目一新的烟草，它兼有高产和抗病害的优点,而且能直接繁育后代，一个优良的新品种就此产生！ 再比如白菜与甘蓝通过植物体细胞杂交技术得到白菜甘蓝新植株。 由杂种细胞培育出的新植物体可能会具有新的性状目前已获得多种植物种间、属间甚至是科间的杂种细胞、愈伤组织，有些还分化成苗。 植物体细胞杂交技术的优点则是打破生殖隔离，克服远缘杂交不亲和的障碍，获得了许多具有优良性状的新的植物物质资源，但体细胞杂种植株的可育性还有待进一步研究，利用植物体细胞杂交技术培育的新品种应用于农业生产的例子还少，需继续开发与探索。 【总结：植物体细胞杂交】构建过程图，并注意几个要点：①植物体细胞杂交的结果是杂种植株；属于可遗传变异类型（染色体畸变）；②原理：细胞膜具有一定的流动性，植物细胞的全能性；③杂种细胞的鉴定和筛选以及杂种植株的鉴定和选育是获得真正杂种的必要过程；④意义：克服远缘杂交不亲和的障碍、能培育新品种。