第二章 植物细胞工程
第一节 通过植物组织培养可获得完整植株
基础过关练
题组一 植物组织培养的原理和过程
1.下列关于运用植物组织培养技术产生新个体的叙述,错误的是( )
A.属于无性生殖
B.主要理论依据是植物细胞具有全能性
C.培养过程中由于人工培养基含大量营养,不需光照就能发育成完整植株
D.是植物材料在脱离母体的条件下进行的
2.下图为烟草植物组织培养过程的流程图。下列有关叙述正确的是( )
A.对过程①获取的根组织块应该做灭菌处理
B.过程②中,细胞的形态和结构不会发生改变
C.过程③表示再分化,此培养基中不需要加入有机物
D.组织培养可用于培育转基因植物或生产某些中药
3.在名贵花卉培养与繁殖过程中,常采用植物组织培养技术获得大量幼苗,该技术的基本流程为“取材→对外植体进行消毒→愈伤组织的培养→试管苗的形成→移栽”。下列相关叙述,错误的是( )
A.同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织基因可能不同
B.愈伤组织形成试管苗可通过器官发生途径或体细胞胚发生途径
C.由愈伤组织形成试管苗的过程称作脱分化,受基因选择性表达的调控
D.由外植体形成试管苗的过程表明离体的植物细胞具有全能性
题组二 植物组织培养的条件
4.某同学在进行组织培养的过程中,发现根分化,而芽的分化不明显,可能的原因是( )
A.未见阳光
B.培养时间不足
C.培养基营养过多
D.细胞分裂素和生长素配比不合适
5.下列关于植物细胞工程技术的叙述正确的是( )
A.接种前需要对外植体、接种器具等进行灭菌
B.接种时不需要在酒精灯火焰旁进行
C.培养过程中不需要更换培养基
D.诱导愈伤组织期间需要适宜的温度
6.某兴趣小组研究了培养基中生长素与细胞分裂素含量的比值对烟草愈伤组织分化的影响,得到如表结果。
组别 生长素/(mg·L-1) 细胞分裂素/(mg·L-1) 分化状况
甲 2 0.02 分化形成根
乙 2 0.2 不分化
丙 2 0.5 分化形成芽
下列叙述错误的是( )
A.愈伤组织细胞在分裂过程中染色体、核仁会出现周期性变化
B.推测乙组培养基中增加生长素含量,可能导致愈伤组织分化形成芽
C.两种激素配比的变化会导致愈伤组织细胞出现稳定性差异
D.细胞分裂素与生长素含量的比值高时有利于愈伤组织分化形成芽
题组三 植物组织培养的应用
7.下列有关人工种子的叙述,错误的是( )
A.人工胚乳中通常需要加入适量的抗生素
B.体细胞胚是由未分化的、具有分裂能力的细胞构成的
C.人工胚乳可以为人工种子提供营养
D.人工种子可通过植物组织培养技术获得
8.(教材习题改编)紫杉醇是红豆杉树皮产生的次生代谢产物,可阻碍肿瘤细胞的分裂。图为通过植物组织培养生产紫杉醇的途径,下列有关叙述正确的是( )
外植体愈伤组织细胞悬浮液细胞系提取紫杉醇
A.红豆杉的树皮作外植体更容易获得紫杉醇
B.过程①表示脱分化,基因发生选择性表达
C.过程②需在高浓度蔗糖溶液中用酶处理
D.过程③表示再分化,遗传物质未发生改变
9.下图为利用体细胞诱变育种技术获得抗除草剂白三叶草新品种的过程,下列叙述错误的是( )
A.该育种过程所依据的原理有基因突变和植物细胞具有全能性
B.过程①和②所涉及的培养基中,不同植物生长调节剂的浓度比例不同
C.白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中DNA和RNA种类相同
D.过程③通常采用的筛选方法是向白三叶草幼苗喷洒除草剂
10.樱桃中的槲皮素等酚类化合物具有抗氧化活性。科研人员利用组织培养技术繁育樱桃优良品种,以满足人们食用和药用需要。下列相关叙述正确的是( )
A.应用植物组织培养技术可获得大量樱桃抗毒苗
B.可以选用樱桃幼嫩的芽原基和叶原基作外植体
C.富含谷氨酸的培养基有利于樱桃幼嫩的芽合成生长素
D.应用樱桃细胞培养可工厂化生产初生代谢产物槲皮素
题组四 菊花的组织培养及幼苗的移栽
11.下列关于菊花组织培养的叙述,正确的是( )
A.用自然生长的茎段进行组培须用适宜浓度的乙醇和次氯酸钠的混合液消毒
B.培养瓶用专用封口膜封口可防止外界杂菌侵入并阻止瓶内外的气体交换
C.组培苗锻炼时采用蛭石作为栽培基质的原因是蛭石带菌量低且营养丰富
D.不带叶片的菊花幼茎切段可通过器官发生途径形成完整的菊花植株
12.在“菊花的组织培养及幼苗的移栽”活动中,下列有关操作不正确的是 ( )
A.对外植体进行表面消毒时,多试剂配合使用效果较好
B.接种后的菊花茎段应置于18~25 ℃的条件下培养,每天光照10~12 h
C.培养过程中试管苗的移栽不需要在无菌条件下进行
D.试管苗移栽至温室中的育苗盘后应始终覆盖保鲜膜保湿,切忌打开保鲜膜造成杂菌污染
能力提升练
题组 植物组织培养
1.为提高黄瓜的耐盐性,某科研小组进行了植物细胞工程学的尝试,其基本流程如下图。有关说法正确的是( )
花药愈伤组织耐盐细胞胚状体稳定遗传的新植株
A.①处配制的MS培养基中的氯元素属于微量元素
B.②处使用的固体培养基需要添加一系列浓度梯度的氯化钠溶液
C.③处通过植物激素诱导出胚状体属于器官发生途径
D.④处常用秋水仙素处理,体现了植物细胞的全能性
2.辣椒的辣椒素是食品调味料的重要成分之一,辣椒素可通过下图途径获得,下列叙述正确的是( )
A.①过程需对外植体进行灭菌以防止后续培养过程中杂菌污染
B.图中所示的愈伤组织是未分化的有固定形态的薄壁组织团块,具备较强的分裂分化能力
C.若在细胞分离过程中使用盐酸进行解离,则植物细胞继续增殖前需再生细胞壁
D.在脱分化过程中一般不需要光照,在再分化过程中光照可诱导植物形态建成
3.某组织培养实验室的愈伤组织被真菌严重污染,为查找污染原因设计了4个实验,实验条件除图示外其他均相同。下列各图表示实验结果,据图不可得出的初步结论是( )
A.污染不是培养基灭菌时间长短造成的
B.污染主要来源于组织培养所用的离体组织
C.调节培养基pH不能解决污染问题
D.调节培养温度能解决污染问题
4.愈伤组织形成过程中,生长素和细胞分裂素信号通路相关基因存在DNA和组蛋白去甲基化现象。研究者利用桃叶片诱导愈伤组织,在培养基中添加DNA甲基转移酶抑制剂 Aza或组蛋白去甲基化酶抑制剂GSK,检测形成愈伤组织的面积,结果如图。据此分析正确的是( )
A.实验器材、培养基和桃叶片等需经高压蒸汽灭菌处理后使用
B.具有特定形态、排列疏松、有大液泡的结构即桃愈伤组织
C.DNA去甲基化和组蛋白甲基化分别抑制、促进愈伤组织形成
D.推测表观遗传影响激素的信号转导过程进而影响脱分化过程
5.组培苗在移栽前一般需要炼苗,目的是提高组培苗对外界环境条件的适应性。下图是不同炼苗方式组合对白兰地红枫组培苗移栽存活率的影响,下列有关叙述,错误的是( )
A.炼苗初期的环境应与培养时的环境条件相似,不能与室外环境相同
B.开盖炼苗期间应控制的环境条件为无菌、无光,并保持一定的湿度
C.白兰地红枫组培苗的最佳炼苗方式是闭盖炼苗6 d后,再开盖炼苗2 d
D.白兰地红枫组培苗的移栽存活率随着闭盖炼苗时间的增加先升高后降低
6.紫杉醇是从红豆杉中分离出的一种生物碱,因具有广谱抗癌活性和独特抗癌机制而受到医学界青睐。紫杉醇在野生红豆杉植株中含量很低,为了获得更多的紫杉醇,许多科学家进行了多方面的尝试与研究。
(1)快速培育红豆杉植株:以该植物的幼茎、针叶等作为外植体,在一定条件下进行组织培养,均能获得试管苗,其原理是 。研究发现用幼嫩茎段比成年老枝更易产生愈伤组织,且时间短、诱导率高,原因是幼嫩茎段细胞分化程度较 。愈伤组织经 形成组培苗,组培苗移栽至特殊基质并检验后作为生产用苗。移栽时,用清水洗掉根部残留的培养基,防止 。可采用 (填部位)进行植物组织培养获得脱除病毒的红豆杉。
(2)红豆杉细胞悬浮培养:红豆杉外植体经 获得愈伤组织,再将愈伤组织移至 培养基大量培养。但紫杉醇本身是一种影响细胞生长的毒性物质,在培养基中的积累量越多,对细胞增殖的抑制作用越强。为了减弱其抑制作用,可采取的措施有 (答出两点即可)。
(3)紫杉醇的提取:不同有机溶剂及其组合作为浸提溶剂对紫杉醇得率的影响如图所示。
注:1为甲醇;2为乙醇;3为丙酮;4为二氯甲烷;5为乙酸乙酯;6为甲醇-乙醇;7为甲醇-丙酮;8为甲醇-二氯甲烷;9为甲醇-乙酸乙酯;10为乙醇-丙酮;11为乙醇-二氯甲烷;12为乙醇-乙酸乙酯;13为丙酮-二氯甲烷;14为丙酮-乙酸乙酯;15为二氯甲烷-乙酸乙酯。
从溶剂单独和混合提取效果的角度分析,可得出的结论有:单一溶剂作为提取紫杉醇的浸提溶剂时, 的提取效果最佳;溶剂混合浸提时, 作为浸提溶剂提取紫杉醇效果最好。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.C 植物组织培养没有经过两性生殖细胞的结合,属于无性生殖,A正确;植物组织培养的再分化过程需要光照,C错误。
2.D ①表示获得外植体的过程,应对该过程获取的根组织块做消毒处理,A错误;②表示脱分化、脱分化的细胞分裂增殖产生愈伤组织的过程,愈伤组织是无组织结构、松散的薄壁细胞团,所以过程②中细胞的形态和结构发生了变化,B错误;过程③表示再分化,培养基中含植物生长发育所需的全部营养物质,包括矿质元素、糖、维生素等,还需要添加植物激素,C错误。
3.C 同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织的基因不一定相同,如花粉细胞和体细胞脱分化形成的愈伤组织的基因不同,A正确;由愈伤组织形成试管苗的过程称作再分化,该过程受基因选择性表达的调控,C错误。
4.D 植物组织培养过程中,培养基中的生长素类和细胞分裂素类物质的浓度和配比等都会影响植物的发育方向。生长素类和细胞分裂素类物质的比值大时,有利于根的形成;比值小时,则促进芽的形成。
5.D 为避免杂菌污染,接种前需要对外植体进行消毒而非灭菌,接种器具和培养基一般用高压蒸汽灭菌,A错误;接种操作要在酒精灯火焰旁进行,以避免杂菌污染,B错误;植物组织培养涉及脱分化和再分化过程,两过程所需的植物激素的浓度和配比不同,故培养过程中需要更换培养基,C错误。
6.B 愈伤组织是植物细胞脱分化后形成的,具有细胞周期,能够进行分裂,所以愈伤组织细胞在分裂过程中染色体、核仁会出现周期性变化,A正确;在乙组培养基中增加生长素含量,将增大生长素与细胞分裂素的比值,有利于根的形成,B错误;据表分析,两种激素配比的变化会导致愈伤组织细胞出现不同的分化方向,即细胞出现稳定性差异,C正确;分析题表数据可知,细胞分裂素与生长素含量的比值高时有利于愈伤组织分化形成芽,D正确。
7.B 体细胞胚是由已分化的、具有分裂能力的细胞构成的,B错误。
8.B 树皮中很多是死细胞,故选取红豆杉树皮作外植体不易获得紫杉醇,应选择幼嫩的茎尖、芽尖等部位作为外植体,A错误;过程①表示脱分化,脱分化过程中基因发生选择性表达,B正确;高浓度蔗糖溶液易使细胞过度失水而死亡,过程②需在等渗蔗糖溶液中用酶处理,C错误;过程③为继代培养获得细胞系,未发生再分化,D错误。
9.C γ射线照射愈伤组织,能诱发基因突变;白三叶草组织细胞培养所依据的原理是植物细胞具有全能性,A正确。白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中DNA种类相同,但由于细胞分化,基因选择性表达,细胞中RNA种类不完全相同,C错误。
10.B 应用植物组织培养技术,采用茎尖作为外植体可获得大量樱桃脱毒苗,而不是抗毒苗,A错误。芽原基和叶原基分裂能力强,因此可以选用樱桃幼嫩的芽原基和叶原基作外植体,B正确。生长素是由色氨酸经过一系列反应转变而来的,因此,用富含色氨酸的培养基有利于樱桃幼嫩的芽合成生长素,C错误。应用樱桃细胞培养可工厂化生产次生代谢产物槲皮素,D错误。
11.D 自然生长茎段的消毒属于外植体消毒,操作步骤为将茎段剪成一定大小,在洗涤灵稀释液中浸泡2 min,用流水冲洗干净后,在75%酒精中消毒30 s,再用流水冲洗后置于10%次氯酸钠溶液中消毒10 min,然后用无菌水多次冲洗,而不是用乙醇和次氯酸钠的混合液消毒,A错误。培养瓶用专用封口膜封口的目的是防止杂菌污染,但不会阻止瓶内外的气体交换,B错误。组培苗锻炼时采用蛭石作为栽培基质的原因是蛭石是一种天然、无机、无毒的矿物质,具有保水性和透气性,可以提供矿质元素(不能提供丰富的营养),有利于幼苗的生根和叶片的生长,C错误。
12.D 试管苗移栽至温室中的育苗盘后,覆盖保鲜膜以保湿,但需定期打开保鲜膜通气,D错误。
能力提升练
1.A MS培养基含有Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl、I、Co等微量元素,A正确。②处筛选耐盐细胞,应选择添加一系列浓度梯度的氯化钠溶液的液体培养基,B错误。胚状体是由体细胞发育成的类似胚的结构,耐盐细胞发育形成胚状体属于体细胞胚发生途径,C错误。④处由胚状体发育成新植株不能体现植物细胞的全能性,D错误。
2.D ①过程需对外植体进行消毒以防止后续培养过程中杂菌污染,A错误。愈伤组织由外植体脱分化形成,可经过再分化形成完整植株,因此愈伤组织是未分化的、无组织结构、松散的薄壁细胞团,具有分裂分化能力,B错误。盐酸会杀死细胞,题述过程中不能用盐酸分离细胞,C错误。在脱分化过程中一般不需要光照,利于形成愈伤组织,在再分化过程中光照可诱导叶绿素合成及植物形态建成,D正确。
知识拓展
3.D 关注不同曲线图中的横坐标(自变量)、纵坐标(因变量)→分析曲线图得出自变量与因变量的关系→得出结论。
自变量 因变量 结论
培养基灭菌时间 污染率在一定范围内波动 污染不是由培养基灭菌时间长短造成的,A正确
离体组织消毒时间 污染率变化明显 污染主要来源于组织培养所用的离体组织,B正确
培养基pH 污染率在一定范围内波动 调节培养基pH不能解决污染问题,C正确
培养温度 污染率在一定范围内波动 调节培养温度不能解决污染问题,D错误
4.D 分析题图,如下:
根据以上分析可知,DNA去甲基化(DNA甲基化减少)可促进愈伤组织的形成,组蛋白甲基化可抑制愈伤组织形成,C错误;桃叶片属于外植体,不能进行高压蒸汽灭菌处理,A错误;愈伤组织细胞没有特定形态,B错误;分析可知,加入DNA甲基转移酶抑制剂Aza或组蛋白去甲基化酶抑制剂GSK均会影响愈伤组织的形成,而愈伤组织的形成是脱分化的结果,因此可推测表观遗传影响激素的信号转导过程进而影响脱分化过程,D正确。
5.B 单自变量分析(单独分析开盖炼苗或闭盖炼苗对移栽存活率的影响)→两自变量综合分析得出结论。分析题图可知,在相同开盖炼苗时间条件下,白兰地红枫组培苗的移栽存活率随着闭盖炼苗时间的增加先升高后降低,D正确。据图可知,纵坐标最大值,即组培苗移栽存活率最高的条件是T2+t2(闭盖炼苗6 d+开盖炼苗2 d),C正确。炼苗初期,应和培养时的环境条件相似;炼苗后期,则要与预计的栽培条件相似,从而达到逐步适应的目的,A正确。组织培养期间需要无菌操作,开盖炼苗期间不需要无菌、无光的环境,应和预计的室外栽培条件相似,B错误。
6.答案 (1)植物细胞具有全能性 低 再分化 杂菌污染 茎尖 (2)脱分化 液体 定时更换培养液、及时提取紫杉醇、连续补料等(答出两点即可) (3)甲醇 乙醇-二氯甲烷
解析 (1)植物的幼茎、针叶等细胞都具有全能性,因此以该红豆杉的幼茎、针叶作为外植体,一定条件下进行组织培养,均能获得试管苗。幼嫩茎段细胞分化程度较低,全能性高,比成年老枝更易产生愈伤组织,且时间短、诱导率高。茎尖含病毒很少甚至没有病毒,因而可采用茎尖进行植物组织培养获得脱除病毒的红豆杉。(2)愈伤组织移至液体培养基进行大量培养。减弱培养基中紫杉醇对细胞增殖的抑制作用,可采取的措施有定时更换培养液、及时提取紫杉醇、连续补料等。(3)由柱形图分析可知,1~5为溶剂单独提取,其中甲醇的提取效果最佳;6~15为溶剂混合提取,其中乙醇-二氯甲烷作为浸提溶剂提取紫杉醇效果最好。
14(共12张PPT)
第一节 通过植物组织培养可获得完整植株
知识点 1 细胞工程
学科素养 情境破
1.概念:在无菌和人工控制条件下,将离体的植物体器官、组织或细胞等(外植体)培养在人工
配制的培养基上,使其生成完整植株或使其细胞增殖并产生细胞代谢产物的技术。
2.分类(按照外植体的不同):器官培养、组织培养、细胞培养、原生质体培养等。
3.理论基础——植物细胞的全能性:植物体的每个生活细胞都具有该植物所包含的全部的遗
传信息,因而具有发育成完整植株的潜能。外植体因脱离了母体的影响,一定条件下能实现
其全能性。
知识点 2 植物组织培养(离体培养)
4.过程
(1)植物离体培养中常因植物种类和培养方法不同,再生分化成苗的过程也不尽相同。
①若以植物的茎尖或带芽的茎段为外植体进行培养时,腋芽或顶芽可不经愈伤组织阶段,直
接萌生成一株幼苗。
②培养基中细胞分裂素浓度较高时,有利于腋芽或顶芽形成丛状苗。
(2)体细胞胚和合子胚的比较
①体细胞胚可由体细胞分裂分化而来,也可由生殖细胞不受精直接分裂、分化而来;可由外
植体经愈伤组织再分化产生,也可不经愈伤组织阶段直接在外植体上发生,属于无性生殖。
②合子胚由受精卵(合子)发育而来,属于有性生殖。
5.条件
(1)适宜的温度。
(2)无菌条件
(3)适宜浓度和配比的植物激素
(4)充分而全面的营养物质
特别提醒
(1)植物需要依赖培养基中的有机碳源,糖类(蔗糖最为常用)既可作为碳源和能源物质,又参
与维持培养基的渗透压。
(2)维生素往往以辅酶的形式参与细胞的蛋白质、脂质、糖代谢等重要活动。
6.应用
(1)快速繁殖植物
①初代培养:从植物体上分离下来的外植体的第一次培养。初代培养获得的芽、胚状体等数
量都不多,需要进一步增殖培养。
②继代培养:将初代培养获得的培养物转移到新的培养基上继续进行扩大培养。正因为培养
物可以不断继代培养,所以离体繁殖速度比常规方法通常要快数万倍。
③意义:可以很好地保持品种的优良性状;可全年连续实验和生产,节约人力、物力。
(2)植物脱毒
(3)生产人工种子
①人工种子示意图
②意义:不受季节限制,可以大量、快速繁殖优良品种,对于生育周期长、育性不良且难于有
性繁殖的植物,具有更重要的意义。
(4)细胞代谢产物的工业化生产。
(5)作物新品种的培育:细胞突变体的筛选、单倍体育种、转基因植物的克隆、植物体细胞
杂交等。
知识点 3 菊花的组织培养及幼苗的移栽
知识辨析
1.愈伤组织指外植体经脱分化形成的、具有一定形态结构的、松散的薄壁细胞团,具有分裂
和分化能力。这种说法正确吗
不正确。愈伤组织是脱分化的细胞不断分裂增殖,产生的无组织结构、松散的薄壁细胞团。
2.植物组织培养的培养基中常添加蔗糖,蔗糖既可作为碳源和能源物质,又参与维持培养基的
渗透压。这种说法正确吗
正确。即使外植体为绿色组织,在培养过程中也往往会逐渐失去叶绿素使其光合作用受到
阻碍,因此植物需要依赖培养基中的有机碳源,而糖类既可作为碳源和能源物质,又参与维持培养基的渗透压。蔗糖、葡萄糖和果糖是较好的碳源,其中蔗糖最为常用。
提示
提示
3.在外植体接种之前,应对外植体进行高压蒸汽灭菌,以避免外植体表面的微生物滋生造成实
验失败。这种说法正确吗
不正确。在外植体接种之前,应对外植体进行消毒而非高压蒸汽灭菌。
4.在细胞和原生质体培养时进行人工诱变,诱变频率大于个体或器官水平,诱导分化得到的突
变体大多可以利用。这种说法正确吗
不正确。细胞和原生质体培养时,细胞分裂旺盛,一直处于不断增殖的状态,此时易发生基
因突变,但诱导所得的突变体大多数不可以利用。因为基因突变具有多害少利性、多方向性,即得到的突变体不一定符合人类的需要。
5.利用植物组织培养技术培育出的脱病毒苗为抗病毒植株。这种说法正确吗
不正确。“脱毒”与“抗毒”不同,前者指的是本身病毒极少甚至无病毒,受病毒感染的机
会少,而后者指的是能抵抗病毒的感染。
提示
提示
提示
