第2章 细
胞
工
程
第1节 植物细胞工程
一 植物细胞工程的基本技术
必备知识·素养奠基
一、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.分化的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。
二、植物组织培养技术
1.原理:植物细胞的全能性。
2.概念:
(1)对象:离体的植物器官、组织或细胞等。
(2)场所:人工配制的培养基。
(3)结果:形成完整植株。
3.流程:
(1)过程:①脱分化、②再分化。
(2)激素:细胞分裂素、生长素。
诱导愈伤组织期间一般不需要光照,在后续的培养过程中为什么需要提供适宜的光照?
提示:叶绿素的合成需要光照。
三、植物体细胞杂交
1.植物体细胞杂交流程:
2.概念:
(1)原料:不同来源的植物体细胞。
(2)结果:杂种植株。
3.意义:打破生殖隔离,实现远缘杂交育种。
原生质体融合体现了细胞膜有什么特点?
提示:细胞膜具有流动性。
关键能力·素养形成
知识点一 植物组织培养
1.植物组织培养的过程:
2.植物组织培养的条件:
(1)外植体的选择:外植体脱分化的难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而不同。一般来说,植物的花和幼嫩的组织脱分化相对比较容易,而植物的茎、叶和成熟的组织相对较难。
(2)无菌操作:植物组织培养成功的关键是避免微生物的污染,所有实验用具要严格灭菌,接种过程要进行严格的无菌操作。
(3)光照的控制:对于植物组织培养来说,光照条件非常重要。
①脱分化阶段:避光培养,有利于脱分化产生愈伤组织(如果是在光照条件下,容易分化产生维管等组织,不利于产生大量的愈伤组织)。
②再分化阶段:一定要有光照,有利于叶片内叶绿素的合成。
(4)不同植物激素比例对植物组织培养的影响:
生长素/细胞分裂素的比值
作用效果
比值高
促进根的分化、抑制芽的形成
比值低
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
【特别提醒】植物组织培养的两点提醒
(1)植物组织培养≠植物细胞培养。
植物组织培养是把外植体培养成完整的植物体;而植物细胞培养是将外植体培养成大量的细胞群体,以便获得人类所需的细胞次级代谢产物。
(2)影响组织培养的光照条件不仅是光照强度,光照时间和波长等都影响植物组织培养。
(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。
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。?
【解题导引】解答本题思维流程如下:
【解析】(1)分化的植物细胞含有该生物生长发育所需要的全部遗传物质,具有发育的全能性,在一定条件下可以培养为完整的植株。
(2)形成层属于分生组织,细胞分裂能力较强,容易脱分化形成愈伤组织。
(3)培养基中的细胞分裂素和生长素可调控细胞的分裂和分化,诱导愈伤组织形成和诱导愈伤组织分化形成试管苗时,需要的生长素和细胞分裂素的比例不同,所以需要更换培养基。愈伤组织是一团未分化的细胞,通过再分化形成具有根、芽的试管苗。
(4)再分化过程中需要光照条件,以利于叶绿素的形成,叶绿素形成后,试管苗才能进行光合作用。
(5)在植物组织培养过程中,只涉及有丝分裂,不涉及有性生殖细胞的生成,该方式可以保证母细胞和子细胞遗传物质的稳定,保持原品种的遗传特性,所以这种繁殖方式属于无性繁殖。
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时需要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
【素养·探究——母题追问】
(1)科学思维——分析与推理
胡萝卜根尖的形成层细胞和组织培养获得的植株根细胞中都没有叶绿素,为什么叶肉细胞却合成了叶绿素?
提示:胡萝卜根尖的形成层细胞、植株根细胞和叶肉细胞中都含有合成叶绿素的相关基因,但该基因只在叶肉细胞中进行了表达即基因的选择性表达。
(2)科学思维——批判性思维
植物组织培养的脱分化过程中,植物细胞如何获得生长发育所需的营养物质?
提示:植物细胞主要以主动运输的方式从培养基中获取营养物质。
【素养·迁移】
下列有关植物组织培养过程中的细胞脱分化的说法,不正确的是
( )
A.已经分化的细胞失去特有的结构和功能而转变成未分化的细胞的过程
B.已经分化的细胞转变成为具有分生能力的未分化细胞的过程
C.离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程
D.离体的植物组织经脱分化形成愈伤组织的过程中必须经过部分植物激素的诱导
【解析】选C。植物组织培养过程中的细胞脱分化是指已经分化的细胞经过诱导失去特有的结构和功能而转变成未分化的具有分生能力的愈伤组织的过程,该过程必须经过有关植物激素(如生长素和细胞分裂素)的诱导。离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程是再分化过程。综上所述,C项错误。
【补偿训练】
用高度分化的植物细胞、组织和器官进行组织培养可以形成愈伤组织,下列叙述错误的是
( )
A.该愈伤组织是细胞经过脱分化和分裂形成的
B.该愈伤组织的细胞没有全能性
C.该愈伤组织是由未分化的细胞组成的
D.该愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构
【解析】选B。植物组织培养的原理是植物细胞的全能性。植物细胞只有在脱离了植物体、并在一定的外部因素的作用下,经细胞脱分化形成愈伤组织,再由愈伤组织细胞发育、分化形成新的植物体才能表现出全能性。
知识点二 植物体细胞杂交
1.原理:
(1)细胞膜的流动性:原生质体融合的过程。
(2)植物细胞的全能性:杂种细胞发育成杂种植株。
2.操作过程:
步骤
图解
技术
原生质体的获取
纤维素酶和果胶酶去掉细胞壁获得原生质体
原生质体的融合
物理法:电融合法、离心法等化学法:聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2+-高pH融合法等
杂种植株的形成
植物组织培养
3.杂种植株遗传物质的变化:
(1)细胞融合属于染色体变异,杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和。
(2)染色体组数通常也是两亲本细胞染色体组数之和,形成异源多倍体。
4.植物体细胞杂交育种的优点和局限性:
(1)优点:克服远缘杂交不亲和的障碍。
(2)局限性:目前仍有许多理论和技术问题未解决,还不能让杂种植物按照人们的需求表现出双亲的优良性状。
【特别提醒】
(1)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,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。
(2)体细胞融合后培养基中共有5种细胞类型(A、B、AA、BB、AB),其中融合细胞类型有3种(AA、BB、AB),而真正符合要求的是AB,因此要对融合细胞进行筛选(注明:不考虑三个或三个以上细胞的融合)。
如图为“番茄—马铃薯”的培育过程示意图,有关叙述正确的是
( )
A.获得a、b细胞需要用聚乙二醇处理
B.诱导a、b细胞融合的化学试剂一般为秋水仙素
C.a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞膜具有流动性
D.d、e、f过程表示植物的组织培养过程,e、f分别为脱分化和再分化
【解题导引】解答本题思维流程如下:
【解析】选C。植物体细胞在杂交之前,必须先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,获得具有活力的原生质体;a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞膜的流动性;诱导a、b细胞融合的化学试剂一般为聚乙二醇或高Ca2+-高pH;d、e分别为脱分化和再分化过程。
【素养·探究——母题追问】
(1)科学思维——演绎与推理
若上题图中a细胞含有2x条染色体,2个染色体组,基因型为Aabb,b细胞含有2y条染色体,2个染色体组,基因型为ccDd,产生的杂种植株的体细胞中含有几条染色体和几个染色体组?其基因型是什么?
提示:杂种植株应为异源四倍体,其体细胞中染色体为(2x+2y)条,4个染色体组,基因型为AabbccDd。
(2)社会责任——解决生产生活中的实际问题
若某种植物耐盐碱,另一种植物高产,能否用上题图中的方法进行新品种的培育?说出你的理由。
提示:可以;植物体细胞杂交可以打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,杂种植株含有两个物种的遗传物质,所以后代会出现双亲的优良性状。
【素养·迁移】
(2020·山东等级考)两种远缘植物的细胞融合后会导致一方的染色体被排出。若其中一个细胞的染色体在融合前由于某种原因断裂,形成的染色体片段在细胞融合后可能不会被全部排出,未排出的染色体片段可以整合到另一个细胞的染色体上而留存在杂种细胞中。依据该原
理,将普通小麦与耐盐性强的中间偃麦草进行体细胞杂交获得了耐盐小麦新品种,过程如下图所示。下列说法错误的是
( )
A.过程①需使用纤维素酶和果胶酶处理细胞
B.过程②的目的是使中间偃麦草的染色体断裂
C.过程③中常用灭活的病毒诱导原生质体融合
D.耐盐小麦的染色体上整合了中间偃麦草的染色体片段
【解析】选C。本题主要考查植物体细胞杂交技术。由题图信息可知,①为细胞去掉细胞壁获得原生质体的过程,去掉细胞壁一般用纤维素酶和果胶酶处理细胞,A项正确;两种远缘植物的细胞融合后会导致一方的染色体被排出,需要将中间偃麦草细胞染色体断裂,所以②为用不同剂量的紫外线照射断裂中间偃麦草细胞的染色体,B项正确;图中③为两种原生质体的融合,常用融合手段为物理法和化学法,灭活的病毒通常用来融合动物细胞,C项错误;普通小麦不具有耐盐性状,因此筛选出的耐盐小麦中控制耐盐性状的基因来自中间偃麦草的染色体片段,D项正确。
【补偿训练】
用植物细胞工程技术将天竺葵与香茅草进行杂交可产生驱蚊香草,使有驱蚊作用的香茅醛随着植物的蒸腾作用散发到空气中,达到驱蚊的效果。下面有关培养过程的叙述,错误的是
( )
A.原生质体的融合常用PEG作为诱导剂
B.形成的愈伤组织其代谢类型是自养需氧型
C.由杂种细胞→杂种植株,要通过有丝分裂和细胞的分化
D.该项生物工程技术可克服远缘杂交不亲和的障碍
【解析】选B。植物体细胞杂交过程中,诱导原生质体融合常用的诱导剂是PEG;由杂种细胞→杂种植株,要通过有丝分裂、脱分化和再分化才能形成;植物体细胞杂交克服了远缘杂交不亲和的障碍。杂种细胞经组织培养形成的愈伤组织,自身不含叶绿素无法进行光合作用,其营养物质来自培养基,代谢类型是异养需氧型。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
【概念·诊断】
1.植物细胞工程技术主要包括植物组织培养和植物体细胞杂交,下列有关植物细胞工程技术的描述合理的是________________。?
①离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程属于脱分化
②愈伤组织是未分化的细胞
③植物体细胞杂交利用了植物组织培养技术
④获得植物原生质体常用的化学方法是聚乙二醇融合法、高Ca2+-高pH融合法
⑤植物体细胞杂交的目的是获得杂种植株
【解析】选②③⑤。离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程属于再分化,①错误;外植体脱分化形成的愈伤组织是未分化的细胞,②正确;植物体细胞杂交中将杂种细胞培养到杂种植株利用了植物组织培养技术,③正确;获取植物原生质体利用的是纤维素酶和果胶酶,聚乙二醇融合法、高Ca2+-高pH融合法是使原生质体融合的方法,④错误;植物体细胞杂交目的是获得杂种植株,⑤正确。
2.如图为植物组织培养过程,有关说法正确的是
( )
A.实验中②试管中细胞全能性最高
B.④试管中培育出的个体都是纯合子
C.①→②过程需要光照
D.①→④过程培养基保持不变
【解析】选A。实验中②试管中的愈伤组织细胞全能性最高,A正确;④试管中培育出的个体不一定是纯合子,如果外植体取自纯合子,培育出的个体一定是纯合子,如果外植体取自杂合子,培育出的个体一定是杂合子,B错误;①→②过程为脱分化的过程,不需要光照,C错误;①→②过程为脱分化的过程,②→③过程为再分化过程,脱分化和再分化过程中所用的培养基成分不同,D错误。
3.植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因是
( )
A.植物体细胞的结构组成中不包括细胞壁
B.细胞壁使原生质体失去活力
C.细胞壁阻碍了原生质体的融合
D.细胞壁不是原生质体的组成部分
【解析】选C。细胞壁是植物细胞结构的一部分,A项不符合题意;细胞壁对植物细胞具有保护作用,不会使原生质体失去活力,但阻碍了原生质体的融合,因此要去除细胞壁,B项不符合题意,C项符合题意;细胞壁不是原生质体的组成部分,这不是植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因,D项不符合题意。
4.白菜、甘蓝均为二倍体,若将白菜和甘蓝两者的花粉细胞的原生质体进行融合得到杂种细胞,再经植物组织培养获得“白菜—甘蓝”杂种植株幼苗。下列说法错误的是
( )
A.培育出的“白菜—甘蓝”植株不能结籽
B.诱导原生质体间的融合过程一般使用灭活的病毒
C.该培育过程中的变异为染色体变异
D.该培育过程中需要向培养基中添加植物激素
【解析】选B。由于白菜、甘蓝均为二倍体,两者的花粉细胞中各含有白菜和甘蓝的一个染色体组,若将两者的花粉细胞的原生质体进行融合得到杂种细胞,再经植物组织培养获得的“白菜—甘蓝”杂种植株为二倍体,但因两个染色体组分别来自白菜和甘蓝,故不能结籽,A正确;诱导植物细胞原生质体间的融合一般不用灭活的病毒,B错误;用花粉细胞的原生质体融合得到的杂种细胞培养成“白菜—甘蓝”杂种植株的变异类型为染色体变异,C正确;植物组织培养过程中需向培养基中添加一定配比的生长素和细胞分裂素,D正确。
5.某兴趣小组拟用组织培养繁殖一种名贵花卉,其技术路线为“取材→消毒→愈伤组织培养→出芽→生根→移栽”。下列有关叙述错误的是
( )
A.消毒的原则是既杀死材料表面的微生物,又尽量减少消毒剂对细胞的伤害
B.用赤霉素处理愈伤组织细胞,可获得染色体加倍的细胞
C.出芽是细胞再分化的结果,受基因选择性表达的调控
D.生根时,培养基通常应含α-萘乙酸等生长素类调节剂
【解析】选B。植物组织培养中要求无菌操作,以防止细菌感染,消毒时既要杀死材料表面的微生物,又要尽量减少消毒剂对细胞的伤害,A正确;用赤霉素处理细胞不能使染色体数目加倍,B错误;出芽是细胞再分化的结果,分化的实质是基因的选择性表达,受基因选择性表达的调控,C正确;在诱导生根的过程中,需要生长素和细胞分裂素的共同作用,生长素与细胞分裂素比值高时,有利于根的分化,因此生根时,培养基中会含有α-萘乙酸等生长素类调节剂,D正确。
【思维·跃迁】
6.“满城尽带黄金甲”描述的是菊花盛开时的景象,要在短时间内快速获得大量的菊花,可以采用植物组织培养技术,如图为菊花植株繁殖过程示意图,据图回答问题:
(1)植物组织培养过程中要利于根的分化,生长素的用量应__________(填“大于”“等于”或“小于”)细胞分裂素。?
(2)菊花组织培养中,一般选取__________,容易诱导脱分化和再分化。?
(3)过程______________属于脱分化,细胞发生分化的根本原因是______________________________________。?
(4)假设最初试管中是菊花的花药,则培育出的植株称为______________,这些植株的特点是高度不育,所以可用____________________处理才能获得可育的植株。?
【解析】根据题图分析:A表示脱分化,B表示再分化。(1)植物组织培养中要利于根的分化,生长素的用量应大于细胞分裂素。(2)菊花组织培养中,一般选取未开花植株的茎上部新萌生的侧枝。(3)过程A属于脱分化,细胞发生分化的根本原因是基因的选择性表达。(4)假设最初试管中是菊花的花药,由于花药是配子,则培育出的植株称为单倍体。单倍体植株的特点是高度不育,所以可用秋水仙素处理幼苗才能获得可育的植株。
答案:(1)大于 (2)生长旺盛的嫩枝 (3)A 基因的选择性表达 (4)单倍体 一定浓度的秋水仙素(或低温)
【拓展·探究】
7.通过植物细胞工程技术,利用甲、乙两种植物的各自优势(马铃薯耐盐、番茄高产),培育高产耐盐的杂种植株。请完善下列实验流程并回答问题:
(1)植物细胞工程技术是育种的新方法,下列说法正确的是
( )
①图中A为纤维素酶和果胶酶
②图中的B为杂种细胞,标志融合成功
③图中C→愈伤组织过程为再分化
④整个过程中都需要光照
(2)由C形成植株的过程利用了______________技术,愈伤组织形成D需要经过__________过程。整个培养过程要在____________的条件下进行。?
(3)已知马铃薯、番茄植物分别为四倍体、二倍体,则“马铃薯—番茄植株”属于______________倍体植株。?
(4)该技术获得的目的植株是否一定能表现出高产耐盐的性状?说明你的理由。
【解析】(1)由植物细胞变成原生质体,需要去掉细胞壁,细胞壁的主要成分是纤维素和果胶,酶具有专一性,所以应用纤维素酶和果胶酶处理细胞壁,①正确;两个原生质体经PEG诱导后融合,再生出细胞壁后变成杂种细胞才是融合成功的标志,②错误;C→愈伤组织过程为脱分化,③错误;植物组织培养的再分化阶段才需要一定强度的光照,④错误。(2)C细胞是杂种细胞,形成植株需要利用植物组织培养技术,经历细胞的脱分化过程和再分化过程。过程中涉及培养基培养过程,所以无菌操作非常重要。(3)“马铃薯—番茄植株”是二倍体和四倍体融合形成的,属于异源六倍体。(4)植物体细胞杂交虽然克服了远缘杂交不亲和的障碍,但还存在许多问题没有解决,如让杂合子表达出两种植物的优良性状还比较困难。
答案:(1)① (2)植物组织培养 再分化 无菌 (3)六 (4)不一定;因为植物体细胞杂交还存在许多问题没有解决,如让杂合子表达出两种植物的优良性状还比较困难。
五 植物细胞工程的基本技术
(20分钟·70分)
一、选择题(共7小题,每小题5分,共35分)
1.
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。据图分析正确的是
( )
A.经①过程获得的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.植物d可育
【解析】选D。经①过程获得的a、b称为原生质体,A错误;融合的细胞有三种:AAAA、BBBB、AABB,另有些细胞可能没有融合,所以共有五种细胞:AAAA、BBBB、AABB、AA、BB,B错误;过程④和⑤分别是脱分化和再分化过程,C错误;获得的植物d是经过筛选后的植物类型,基因型为AABB,含同源染色体,而且可育,D正确。
2.如图为植物组织培养的基本过程,则制作人工种子、生产人参皂苷干粉,应分别选用的编号是
( )
A.④② B.③② C.③④ D.④③
【解析】选B。图中①为离体的植物组织或器官,②为愈伤组织,③为胚状体,④为新植物体。人工种子是指通过植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料,通过人工薄膜包装得到的种子。因此,要制作人工种子,应该选择编号③;要获得细胞代谢产物,应该培养到愈伤组织。因此,生产人参皂苷干粉,应该选择编号②,故B正确。
3.下面关于植物细胞工程的叙述,正确的是
( )
①不同种植物的叶肉细胞融合时,应先去掉细胞膜
②叶肉细胞脱分化后,可形成无定形状态的薄壁细胞
③叶肉细胞经过再分化过程,可形成愈伤组织
④叶肉细胞离体培养时,可以表现出细胞全能性
A.①③
B.②④
C.①②④
D.①②③④
【解析】选B。植物细胞融合应去掉细胞壁而不是细胞膜;高度分化的叶肉细胞经脱分化后,可形成愈伤组织,愈伤组织是无定形状态的薄壁细胞团;高度分化的植物细胞必须在离体培养的状态下才能表现出全能性。
4.如图为植物体细胞杂交及组织培养过程示意图。下列说法不正确的是
( )
A.过程①②分别需要用胰蛋白酶和聚乙二醇进行处理
B.高尔基体在过程③发挥了重要作用
C.过程⑤需要更换培养基,才能进一步分化为植株
D.若A、B的基因型分别为Rr、Yy,则杂种植株的基因型为RrYy
【解析】选A。题图中①为用纤维素酶和果胶酶对植物细胞A、B进行去除细胞壁的处理,②为用聚乙二醇融合法等诱导原生质体融合,A错误;③为新细胞壁再生的过程,高尔基体与植物细胞壁的形成有关,B正确;过程④⑤分别使用诱导脱分化培养基和诱导再分化培养基,⑤需要更换培养基,才能进一步分化为植株,C正确;若A、B的基因型分别为Rr、Yy,则杂种植株的基因型为RrYy,D正确。
5.以二倍体兰花花药为外植体,经植物组织培养过程获得兰花植株,下列相关叙述不正确的是
( )
A.为防止杂菌污染,①②③过程要进行严格的无菌操作
B.②过程需在培养基中添加多种植物激素以利于再分化
C.该育种过程体现了细胞的全能性
D.经④过程形成的植株中可筛选获得纯合的二倍体
【解析】选B。植物组织培养的过程要求无菌无毒的环境,其中外植体要进行消毒处理,而培养基需灭菌处理,即①②③过程要进行严格的无菌操作,A正确;②过程需在培养基中添加多种植物激素以利于脱分化,B错误;高度分化的细胞首先经过脱分化后形成愈伤组织,然后再分化形成植株,整个育种过程体现了植物细胞的全能性,C正确;④过程形成的植株中可筛选获得纯合的二倍体兰花植株,D正确。
6.甲种植物细胞和乙种植物细胞的结构如图所示(仅显示细胞核),将甲、乙两种植物细胞去掉细胞壁后,诱导二者的原生质体融合,形成单核的杂种细胞,若经过组织培养得到了杂种植株,则该杂种植株是
( )
A.二倍体,基因型是DdYyRr
B.三倍体,基因型是DdYyRr
C.四倍体,基因型是DdYyRr
D.四倍体,基因型是DDddYYyyRRrr
【解析】选C。甲细胞含2个染色体组,乙细胞也含2个染色体组,但由于彼此属于不同的物种,染色体组彼此不同,所以融合后产生的杂种细胞含有4个染色体组,应属于异源四倍体,基因型为DdYyRr。
7.用植物组织培养方法诱导离体的植物组织形成具有生根发芽能力的胚状体结构,再包裹上人造种皮,可制成人工种子,其过程如图。下列相关叙述错误的是
( )
A.图示过程依据的原理是植物细胞的全能性
B.进行②过程时,不需要用纤维素酶和果胶酶去掉植物细胞的细胞壁
C.再分化发生在④过程,是愈伤组织重新分化成根或芽等器官的过程
D.脱分化过程需避光培养,有利于愈伤组织的形成
【解析】选C。图示过程依据的原理是植物细胞的全能性,A正确;进行②脱分化过程时,不需要用纤维素酶和果胶酶去掉植物细胞的细胞壁,B正确;再分化发生在③过程,是愈伤组织重新分化成根或芽等器官的过程,C错误;脱分化形成愈伤组织的过程,需要避光培养,D正确。
二、非选择题(共2小题,共35分)
8.(20分)如图所示为胡萝卜的韧皮部细胞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,请据图回答下列问题。
(1)此过程依据的原理是__________________。B阶段细胞进行的分裂方式是________________,B阶段除了进行细胞分裂外,还进行______________等。?
(2)B阶段需要光照,原因是______________________。?
(3)试管苗的根细胞没有叶绿素,而叶肉细胞具有叶绿素,这是________
____________________的结果。?
(4)A、B两过程能否在同一培养基上进行?________________。为什么?__?
__________________________________________________。?
【解析】(1)植物组织培养是指将单个细胞培养成完整个体,这充分体现了植物细胞的全能性;A阶段为脱分化,B阶段为再分化,B阶段细胞进行的分裂方式为有丝分裂,B阶段除了进行细胞分裂外,还要进行细胞分化。(2)植物组织培养在B(再分化)阶段,愈伤组织生根、发芽,并且芽发育成叶,叶绿素需要在光照条件下才能合成。(3)在植物体的不同部位进行不同的生命活动,合成不同的物质,这是基因选择性表达的结果。(4)由于A(脱分化)和B(再分化)两阶段进行的处理及营养、环境要求不同,所以两者不能在同一培养基上进行。
答案:(1)植物细胞的全能性 有丝分裂 细胞分化 (2)芽发育成叶,叶肉细胞中叶绿素的形成需要光照 (3)基因选择性表达 (4)不能 A(脱分化)和B(再分化)两阶段进行的处理及营养、环境要求不同
9.(15分)如图为植物体细胞杂交过程示意图。据图回答:
(1)步骤①是____________________________,最常用的方法是____________
______________。?
(2)在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中,运用的技术手段是______________,其中步骤④相当于____________________,步骤⑤相当于__________。?
(3)原生质体融合的目的是获得__________。远缘杂交的两个亲本的遗传特征能够在新的植物体上有所表现,其根本原因是____________________。?
(4)若远缘杂交亲本A和B都是二倍体,则杂种植株为______________倍体。?
(5)从理论上讲,杂种植株的育性为__________。若运用传统有性杂交方法能否实现?______________,原因是______________________________________。?
(6)利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种过程中,遗传物质的传递是否遵循孟德尔的遗传规律?________。为什么?__?________________________
________________________________________________________。?
【解析】(1)用纤维素酶和果胶酶来分解细胞壁(即酶解法)是最常用的制备植物原生质体的方法。(2)由杂种细胞培育到杂种植株运用了植物组织培养技术,经历脱分化和再分化两个重要阶段。(3)原生质体融合是为了获得杂种细胞,当原生质体A和B的融合体再生出细胞壁就意味着杂种细胞的形成。杂种植株同时具备两个杂交亲本的遗传物质,能够表现出两个亲本的遗传特性。(4)若亲本A和B都是二倍体,则杂种植株的体细胞内有四个染色体组,为四倍体。(5)杂种植株的细胞内具有同源染色体,理论上讲是可以进行减数分裂产生正常配子的,是可育的。不同物种间存在生殖隔离,不会实现有性杂交,即使能杂交,也不会产生可育后代,植物体细胞杂交打破了这种生殖隔离,克服了远缘杂交不亲和的障碍。(6)孟德尔的遗传规律发生在有性生殖的减数分裂过程中,而植物体细胞杂交过程中细胞增殖的方式是有丝分裂,没有减数分裂,故此过程遗传物质的传递不遵循孟德尔遗传规律。
答案:(1)去掉细胞壁,分离出有活力的原生质体
酶解法 (2)植物组织培养 脱分化 再分化
(3)杂种细胞 获得双亲的遗传物质(两个亲本的遗传物质) (4)(异源)四 (5)可育 不能 不同种生物之间存在生殖隔离 (6)不遵循 有性生殖的过程中进行减数分裂,才遵循孟德尔的遗传规律
【互动探究】
(1)杂种植株并没有拥有两种植物全部的性状,为什么?
提示:尽管杂种植株细胞内拥有两种植物的全部基因,但不同种生物之间的基因表达是相互影响的。
(2)杂种植株生长发育的过程中遵循孟德尔遗传规律吗?试分析原因。
提示:遵循。杂种植株细胞内有同源染色体,能进行正常的减数分裂,即能够开花结果,遵循孟德尔遗传规律。
(10分钟·30分)
1.(6分)(不定项)从基因型为Aa的某植物营养器官中获取细胞,显微观察如图所示。下列对该图示细胞的叙述正确的是
( )
A.若将X细胞离体培养成完整植株,培养过程要用纤维素酶和果胶酶处理
B.将Y细胞离体培养成幼苗后用秋水仙素处理,所得植株为纯合子
C.将X和Y融合并经组织培养形成的植株为四倍体
D.X和Z细胞的形态不同,但核DNA一般相同
【解析】选C、D。植物体细胞杂交时,要用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,获得具有活力的原生质体,如果用X细胞离体培养成植株,需经过植物组织培养,不需要去除细胞壁;将Y细胞离体培养成幼苗后用秋水仙素处理,所得植株(基因型为AAaa)为杂合子;将X(Aa)和Y(Aa)融合并经组织培养形成的植株为四倍体(AAaa);X和Z细胞的形态不同,但都是由一个细胞(受精卵)增殖分化而来,因而核DNA一般相同。
2.(6分)(不定项)如图表示利用棉花叶肉细胞原生质体进行遗传改良的过程,据图分析错误的是
( )
A.①过程需在适宜条件下用纤维素酶和果胶酶的混合物处理
B.②过程能定向诱导原生质体产生优良性状的改变
C.③过程中叶肉细胞失去了其特有的结构和功能
D.③④过程需用相同配比的激素处理
【解析】选B、D。植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶,因此常选用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,A正确;紫外线照射诱导生物变异属于基因突变,具有不定向性,B错误;③过程为脱分化,其目的是使原有细胞恢复分裂和分化能力,即失去了其特有的结构和功能,C正确;③过程为脱分化,④过程为再分化,需用不同浓度配比的激素进行诱导,D错误。
【补偿训练】
实验人员利用矮牵牛(二倍体,2n=14)的红色花瓣细胞(液泡呈红色)与枸杞(四倍体,4n=48)叶肉细胞,制备了相应的原生质体,并诱导其融合,经筛选、培养获得杂种植株。下列有关叙述正确的是
( )
A.原生质体融合后直接进行组织培养,获得杂种植株
B.可利用电融合、离心等方法诱导原生质体融合
C.在显微镜下只能观察到花瓣细胞、枸杞细胞和花瓣—枸杞杂种细胞
D.若原生质体均为两两融合,则融合后的细胞中染色体数目均为62条
【解析】选B。原生质体融合后需要先再生出新的细胞壁后才能进行组织培养,A项错误;可利用电融合、离心等方法诱导原生质体融合,B项正确;显微镜下可见到未融合的花瓣细胞、枸杞细胞,也可见到花瓣—花瓣细胞、枸杞—枸杞细胞(同种细胞融合的细胞),还有花瓣—枸杞杂种细胞,C项错误;两两融合的原生质体,若是花瓣—花瓣细胞,则融合后的细胞中染色体数目为28条,若是枸杞—枸杞细胞,则融合后的细胞中染色体数目为96条,若是花瓣—枸杞杂种细胞,则融合后的细胞中染色体数目为62条,D项错误。
【实验·探究】
3.(18分)(2020·天津等级考)某植物有A、B两品种。科研人员在设计品种A组织培养实验时,参照品种B的最佳激素配比(见下表)进行预实验。
品种B组织培养阶段
细胞分裂素浓度/(μmol·L-1)
生长素浓度/(μmol·L-1)
Ⅰ诱导形成愈伤组织
m1
n1
Ⅱ诱导形成幼芽
m2
n2
Ⅲ诱导生根
m3
n3
据表回答:
(1)Ⅰ阶段时通常选择茎尖、幼叶等作为外植体,原因是________________
______________________。?
(2)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段中发生基因选择性表达的是________________________
________________________________阶段。?
(3)为确定品种A的Ⅰ阶段的最适细胞分裂素浓度,参照品种B的激素配比(m1>2.0),以0.5
μmol·L-1为梯度,设计5个浓度水平的实验,细胞分裂素最高浓度应设为____________μmol·L-1。?
(4)Ⅲ阶段时,科研人员分别选用浓度低于或高于n3
μmol·L-1的生长素处理品种A幼芽都能达到最佳生根效果,原因是处理幼芽时,选用低浓度生长素时的处理方法为________________,选用高浓度生长素时的处理方法为
__________________________。?
(5)在__________阶段用秋水仙素对材料进行处理,最易获得由单个细胞形成的多倍体。?
【解析】本题主要考查植物组织培养和植物激素调节。
(1)茎尖、幼叶分化程度低,分裂能力强,在组织培养中作为外植体,容易经诱导产生愈伤组织。
(2)在组织培养的脱分化和再分化过程中,均会发生基因的选择性表达。
(3)为确定品种A的Ⅰ阶段最适细胞分裂素浓度,参照品种B的激素配比,以0.5
μmol·L-1为梯度,设计5个浓度水平的实验,m1应为中间浓度,则最高浓度应为m1+1.0
μmol·L-1。
(4)生根效果与所用生长素浓度及处理方法、处理时间有关,用低浓度生长素处理时,可用浸泡法进行较长时间处理;用高浓度生长素处理时,可用沾蘸法进行短时间处理,二者可取得相同的处理效果。
(5)秋水仙素抑制有丝分裂过程中纺锤体的形成,Ⅰ阶段细胞分裂旺盛,秋水仙素作用较大,用秋水仙素处理容易获得由单个细胞形成的多倍体。
答案:(1)细胞分化程度低,容易诱导产生愈伤组织 (2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ (3)m1+1.0 (4)浸泡法(长时间处理) 沾蘸法(短时间处理) (5)Ⅰ(共96张PPT)
第2章 细
胞
工
程
第1节 植物细胞工程
一 植物细胞工程的基本技术
必备知识·素养奠基
一、细胞的全能性
1.概念:细胞经分裂和分化后,仍然具有_______________或分化成
_____________的潜能。
2.分化的细胞不能表现全能性的原因:___________________条件下,细胞中的基
因会_______地表达。
产生完整生物体
其他各种细胞
在特定的时间和空间
选择性
二、植物组织培养技术
1.原理:_________________。
2.概念:
(1)对象:_____的植物器官、组织或细胞等。
(2)场所:人工配制的培养基。
(3)结果:_____________。
植物细胞的全能性
离体
形成完整植株
3.流程:
(1)过程:①_______、②_______。
(2)激素:___________、_______。
脱分化
再分化
细胞分裂素
生长素
【激疑】诱导愈伤组织期间一般不需要光照,在后续的培养过程中为什么需要提供适宜的光照?
提示:叶绿素的合成需要光照。
三、植物体细胞杂交
1.植物体细胞杂交流程:
2.概念:
(1)原料:_________的植物体细胞。
(2)结果:_________。
3.意义:打破_________,实现远缘杂交育种。
不同来源
杂种植株
生殖隔离
【激疑】原生质体融合体现了细胞膜有什么特点?
提示:细胞膜具有流动性。
关键能力·素养形成
知识点一 植物组织培养
1.植物组织培养的过程:
2.植物组织培养的条件:
(1)外植体的选择:外植体脱分化的难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而不同。一般来说,植物的花和幼嫩的组织脱分化相对比较容易,而植物的茎、叶和成熟的组织相对较难。
(2)无菌操作:植物组织培养成功的关键是避免微生物的污染,所有实验用具要严格灭菌,接种过程要进行严格的无菌操作。
(3)光照的控制:对于植物组织培养来说,光照条件非常重要。
①脱分化阶段:避光培养,有利于脱分化产生愈伤组织(如果是在光照条件下,容易分化产生维管等组织,不利于产生大量的愈伤组织)。
②再分化阶段:一定要有光照,有利于叶片内叶绿素的合成。
(4)不同植物激素比例对植物组织培养的影响:
生长素/细胞分
裂素的比值
作用效果
比值高
促进根的分化、抑制芽的形成
比值低
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
【特别提醒】植物组织培养的两点提醒
(1)植物组织培养≠植物细胞培养。
植物组织培养是把外植体培养成完整的植物体;而植物细胞培养是将外植体培养成大量的细胞群体,以便获得人类所需的细胞次级代谢产物。
(2)影响组织培养的光照条件不仅是光照强度,光照时间和波长等都影响植物组织培养。
【素养案例】
(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。
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。?
【解题导引】解答本题思维流程如下:
【解析】(1)分化的植物细胞含有该生物生长发育所需要的全部遗传物质,具有发育的全能性,在一定条件下可以培养为完整的植株。
(2)形成层属于分生组织,细胞分裂能力较强,容易脱分化形成愈伤组织。
(3)培养基中的细胞分裂素和生长素可调控细胞的分裂和分化,诱导愈伤组织形成和诱导愈伤组织分化形成试管苗时,需要的生长素和细胞分裂素的比例不同,所以需要更换培养基。愈伤组织是一团未分化的细胞,通过再分化形成具有根、芽的试管苗。
(4)再分化过程中需要光照条件,以利于叶绿素的形成,叶绿素形成后,试管苗才能进行光合作用。
(5)在植物组织培养过程中,只涉及有丝分裂,不涉及有性生殖细胞的生成,该方式可以保证母细胞和子细胞遗传物质的稳定,保持原品种的遗传特性,所以这种繁殖方式属于无性繁殖。
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时需要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
【素养·探究——母题追问】
(1)科学思维——分析与推理
胡萝卜根尖的形成层细胞和组织培养获得的植株根细胞中都没有叶绿素,为什么叶肉细胞却合成了叶绿素?
提示:胡萝卜根尖的形成层细胞、植株根细胞和叶肉细胞中都含有合成叶绿素的相关基因,但该基因只在叶肉细胞中进行了表达即基因的选择性表达。
(2)科学思维——批判性思维
植物组织培养的脱分化过程中,植物细胞如何获得生长发育所需的营养物质?
提示:植物细胞主要以主动运输的方式从培养基中获取营养物质。
【素养·迁移】
下列有关植物组织培养过程中的细胞脱分化的说法,不正确的是
( )
A.已经分化的细胞失去特有的结构和功能而转变成未分化的细胞的过程
B.已经分化的细胞转变成为具有分生能力的未分化细胞的过程
C.离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程
D.离体的植物组织经脱分化形成愈伤组织的过程中必须经过部分植物激素的诱导
【解析】选C。植物组织培养过程中的细胞脱分化是指已经分化的细胞经过诱导失去特有的结构和功能而转变成未分化的具有分生能力的愈伤组织的过程,该过程必须经过有关植物激素(如生长素和细胞分裂素)的诱导。离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程是再分化过程。综上所述,C项错误。
【补偿训练】
用高度分化的植物细胞、组织和器官进行组织培养可以形成愈伤组织,下列叙述错误的是
( )
A.该愈伤组织是细胞经过脱分化和分裂形成的
B.该愈伤组织的细胞没有全能性
C.该愈伤组织是由未分化的细胞组成的
D.该愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构
【解析】选B。植物组织培养的原理是植物细胞的全能性。植物细胞只有在脱离了植物体、并在一定的外部因素的作用下,经细胞脱分化形成愈伤组织,再由愈伤组织细胞发育、分化形成新的植物体才能表现出全能性。
知识点二 植物体细胞杂交
1.原理:
(1)细胞膜的流动性:原生质体融合的过程。
(2)植物细胞的全能性:杂种细胞发育成杂种植株。
2.操作过程:
步骤
图解
技术
原生质体的
获取
纤维素酶和果胶酶去掉细胞壁获得原生质体
原生质体的
融合
物理法:电融合法、离心法等
化学法:聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2+-高pH融合法等
杂种植株的
形成
植物组织培养
3.杂种植株遗传物质的变化:
(1)细胞融合属于染色体变异,杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和。
(2)染色体组数通常也是两亲本细胞染色体组数之和,形成异源多倍体。
4.植物体细胞杂交育种的优点和局限性:
(1)优点:克服远缘杂交不亲和的障碍。
(2)局限性:目前仍有许多理论和技术问题未解决,还不能让杂种植物按照人们的需求表现出双亲的优良性状。
【特别提醒】
(1)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,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。
(2)体细胞融合后培养基中共有5种细胞类型(A、B、AA、BB、AB),其中融合细胞类型有3种(AA、BB、AB),而真正符合要求的是AB,因此要对融合细胞进行筛选(注明:不考虑三个或三个以上细胞的融合)。
【素养案例】
如图为“番茄—马铃薯”的培育过程示意图,有关叙述正确的是
( )
A.获得a、b细胞需要用聚乙二醇处理
B.诱导a、b细胞融合的化学试剂一般为秋水仙素
C.a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞膜具有流动性
D.d、e、f过程表示植物的组织培养过程,e、f分别为脱分化和再分化
【解题导引】解答本题思维流程如下:
【解析】选C。植物体细胞在杂交之前,必须先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,获得具有活力的原生质体;a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞膜的流动性;诱导a、b细胞融合的化学试剂一般为聚乙二醇或高Ca2+-高pH;d、e分别为脱分化和再分化过程。
【素养·探究——母题追问】
(1)科学思维——演绎与推理
若上题图中a细胞含有2x条染色体,2个染色体组,基因型为Aabb,b细胞含有2y条染色体,2个染色体组,基因型为ccDd,产生的杂种植株的体细胞中含有几条染色体和几个染色体组?其基因型是什么?
提示:杂种植株应为异源四倍体,其体细胞中染色体为(2x+2y)条,4个染色体组,基因型为AabbccDd。
(2)社会责任——解决生产生活中的实际问题
若某种植物耐盐碱,另一种植物高产,能否用上题图中的方法进行新品种的培育?说出你的理由。
提示:可以;植物体细胞杂交可以打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,杂种植株含有两个物种的遗传物质,所以后代会出现双亲的优良性状。
【素养·迁移】
(2020·山东等级考)两种远缘植物的细胞融合后会导致一方的染色体被排出。若其中一个细胞的染色体在融合前由于某种原因断裂,形成的染色体片段在细胞融合后可能不会被全部排出,未排出的染色体片段可以整合到另一个细胞的染色体上而留存在杂种细胞中。依据该原理,将普通小麦与耐盐性强的中间偃麦草进行体细胞杂交获得了耐盐小麦新品种,过程如下图所示。下列说法错误的是
( )
A.过程①需使用纤维素酶和果胶酶处理细胞
B.过程②的目的是使中间偃麦草的染色体断裂
C.过程③中常用灭活的病毒诱导原生质体融合
D.耐盐小麦的染色体上整合了中间偃麦草的染色体片段
【解析】选C。本题主要考查植物体细胞杂交技术。由题图信息可知,①为细胞去掉细胞壁获得原生质体的过程,去掉细胞壁一般用纤维素酶和果胶酶处理细胞,A项正确;两种远缘植物的细胞融合后会导致一方的染色体被排出,需要将中间偃麦草细胞染色体断裂,所以②为用不同剂量的紫外线照射断裂中间偃麦草细胞的染色体,B项正确;图中③为两种原生质体的融合,常用融合手段为物理法和化学法,灭活的病毒通常用来融合动物细胞,C项错误;普通小麦不具有耐盐性状,因此筛选出的耐盐小麦中控制耐盐性状的基因来自中间偃麦草的染色体片段,D项正确。
【补偿训练】
用植物细胞工程技术将天竺葵与香茅草进行杂交可产生驱蚊香草,使有驱蚊作用的香茅醛随着植物的蒸腾作用散发到空气中,达到驱蚊的效果。下面有关培养过程的叙述,错误的是
( )
A.原生质体的融合常用PEG作为诱导剂
B.形成的愈伤组织其代谢类型是自养需氧型
C.由杂种细胞→杂种植株,要通过有丝分裂和细胞的分化
D.该项生物工程技术可克服远缘杂交不亲和的障碍
【解析】选B。植物体细胞杂交过程中,诱导原生质体融合常用的诱导剂是PEG;由杂种细胞→杂种植株,要通过有丝分裂、脱分化和再分化才能形成;植物体细胞杂交克服了远缘杂交不亲和的障碍。杂种细胞经组织培养形成的愈伤组织,自身不含叶绿素无法进行光合作用,其营养物质来自培养基,代谢类型是异养需氧型。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
【概念·诊断】
1.植物细胞工程技术主要包括植物组织培养和植物体细胞杂交,下列有关植物细胞工程技术的描述合理的是________________。?
①离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程属于脱分化
②愈伤组织是未分化的细胞
③植物体细胞杂交利用了植物组织培养技术
④获得植物原生质体常用的化学方法是聚乙二醇融合法、高Ca2+-高pH融合法
⑤植物体细胞杂交的目的是获得杂种植株
【解析】选②③⑤。离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程属于再分化,①错误;外植体脱分化形成的愈伤组织是未分化的细胞,②正确;植物体细胞杂交中将杂种细胞培养到杂种植株利用了植物组织培养技术,③正确;获取植物原生质体利用的是纤维素酶和果胶酶,聚乙二醇融合法、高Ca2+-高pH融合法是使原生质体融合的方法,④错误;植物体细胞杂交目的是获得杂种植株,⑤正确。
2.如图为植物组织培养过程,有关说法正确的是
( )
A.实验中②试管中细胞全能性最高
B.④试管中培育出的个体都是纯合子
C.①→②过程需要光照
D.①→④过程培养基保持不变
【解析】选A。实验中②试管中的愈伤组织细胞全能性最高,A正确;④试管中培育出的个体不一定是纯合子,如果外植体取自纯合子,培育出的个体一定是纯合子,如果外植体取自杂合子,培育出的个体一定是杂合子,B错误;①→②过程为脱分化的过程,不需要光照,C错误;①→②过程为脱分化的过程,②→③过程为再分化过程,脱分化和再分化过程中所用的培养基成分不同,D错误。
3.植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因是
( )
A.植物体细胞的结构组成中不包括细胞壁
B.细胞壁使原生质体失去活力
C.细胞壁阻碍了原生质体的融合
D.细胞壁不是原生质体的组成部分
【解析】选C。细胞壁是植物细胞结构的一部分,A项不符合题意;细胞壁对植物细胞具有保护作用,不会使原生质体失去活力,但阻碍了原生质体的融合,因此要去除细胞壁,B项不符合题意,C项符合题意;细胞壁不是原生质体的组成部分,这不是植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因,D项不符合题意。
4.白菜、甘蓝均为二倍体,若将白菜和甘蓝两者的花粉细胞的原生质体进行融合得到杂种细胞,再经植物组织培养获得“白菜—甘蓝”杂种植株幼苗。下列说法错误的是
( )
A.培育出的“白菜—甘蓝”植株不能结籽
B.诱导原生质体间的融合过程一般使用灭活的病毒
C.该培育过程中的变异为染色体变异
D.该培育过程中需要向培养基中添加植物激素
【解析】选B。由于白菜、甘蓝均为二倍体,两者的花粉细胞中各含有白菜和甘蓝的一个染色体组,若将两者的花粉细胞的原生质体进行融合得到杂种细胞,再经植物组织培养获得的“白菜—甘蓝”杂种植株为二倍体,但因两个染色体组分别来自白菜和甘蓝,故不能结籽,A正确;诱导植物细胞原生质体间的融合一般不用灭活的病毒,B错误;用花粉细胞的原生质体融合得到的杂种细胞培养成“白菜—甘蓝”杂种植株的变异类型为染色体变异,C正确;植物组织培养过程中需向培养基中添加一定配比的生长素和细胞分裂素,D正确。
5.某兴趣小组拟用组织培养繁殖一种名贵花卉,其技术路线为“取材→消毒→愈伤组织培养→出芽→生根→移栽”。下列有关叙述错误的是
( )
A.消毒的原则是既杀死材料表面的微生物,又尽量减少消毒剂对细胞的伤害
B.用赤霉素处理愈伤组织细胞,可获得染色体加倍的细胞
C.出芽是细胞再分化的结果,受基因选择性表达的调控
D.生根时,培养基通常应含α-萘乙酸等生长素类调节剂
【解析】选B。植物组织培养中要求无菌操作,以防止细菌感染,消毒时既要杀死材料表面的微生物,又要尽量减少消毒剂对细胞的伤害,A正确;用赤霉素处理细胞不能使染色体数目加倍,B错误;出芽是细胞再分化的结果,分化的实质是基因的选择性表达,受基因选择性表达的调控,C正确;在诱导生根的过程中,需要生长素和细胞分裂素的共同作用,生长素与细胞分裂素比值高时,有利于根的分化,因此生根时,培养基中会含有α-萘乙酸等生长素类调节剂,D正确。
【思维·跃迁】
6.“满城尽带黄金甲”描述的是菊花盛开时的景象,要在短时间内快速获得大量的菊花,可以采用植物组织培养技术,如图为菊花植株繁殖过程示意图,据图回答问题:
(1)植物组织培养过程中要利于根的分化,生长素的用量应__________(填“大于”“等于”或“小于”)细胞分裂素。?
(2)菊花组织培养中,一般选取__________,容易诱导脱分化和再分化。?
(3)过程______________属于脱分化,细胞发生分化的根本原因是_______
______________________________________。?
(4)假设最初试管中是菊花的花药,则培育出的植株称为______________,这些植株的特点是高度不育,所以可用____________________处理才能获得可育的植株。?
【解析】根据题图分析:A表示脱分化,B表示再分化。(1)植物组织培养中要利于根的分化,生长素的用量应大于细胞分裂素。(2)菊花组织培养中,一般选取未开花植株的茎上部新萌生的侧枝。(3)过程A属于脱分化,细胞发生分化的根本原因是基因的选择性表达。(4)假设最初试管中是菊花的花药,由于花药是配子,则培育出的植株称为单倍体。单倍体植株的特点是高度不育,所以可用秋水仙素处理幼苗才能获得可育的植株。
答案:(1)大于 (2)生长旺盛的嫩枝 (3)A 基因的选择性表达 (4)单倍体 一定浓度的秋水仙素(或低温)
【拓展·探究】
7.通过植物细胞工程技术,利用甲、乙两种植物的各自优势(马铃薯耐盐、番茄高产),培育高产耐盐的杂种植株。请完善下列实验流程并回答问题:
(1)植物细胞工程技术是育种的新方法,下列说法正确的是
( )
①图中A为纤维素酶和果胶酶
②图中的B为杂种细胞,标志融合成功
③图中C→愈伤组织过程为再分化
④整个过程中都需要光照
(2)由C形成植株的过程利用了______________技术,愈伤组织形成D需要经过__________过程。整个培养过程要在____________的条件下进行。?
(3)已知马铃薯、番茄植物分别为四倍体、二倍体,则“马铃薯—番茄植株”属于______________倍体植株。?
(4)该技术获得的目的植株是否一定能表现出高产耐盐的性状?说明你的理由。
【解析】(1)由植物细胞变成原生质体,需要去掉细胞壁,细胞壁的主要成分是纤维素和果胶,酶具有专一性,所以应用纤维素酶和果胶酶处理细胞壁,①正确;两个原生质体经PEG诱导后融合,再生出细胞壁后变成杂种细胞才是融合成功的标志,②错误;C→愈伤组织过程为脱分化,③错误;植物组织培养的再分化阶段才需要一定强度的光照,④错误。(2)C细胞是杂种细胞,形成植株需要
利用植物组织培养技术,经历细胞的脱分化过程和再分化过程。过程中涉及培养基培养过程,所以无菌操作非常重要。(3)“马铃薯—番茄植株”是二倍体和四倍体融合形成的,属于异源六倍体。(4)植物体细胞杂交虽然克服了远缘杂交不亲和的障碍,但还存在许多问题没有解决,如让杂合子表达出两种植物的优良性状还比较困难。
答案:(1)① (2)植物组织培养 再分化 无菌 (3)六 (4)不一定;因为植物体细胞杂交还存在许多问题没有解决,如让杂合子表达出两种植物的优良性状还比较困难。
课时素养评价
五 植物细胞工程的基本技术
【基础达标】
(20分钟·70分)
一、选择题(共7小题,每小题5分,共35分)
1.
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。据图分析正确的是
( )
A.经①过程获得的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.植物d可育
【解析】选D。经①过程获得的a、b称为原生质体,A错误;融合的细胞有三种:AAAA、BBBB、AABB,另有些细胞可能没有融合,所以共有五种细胞:AAAA、BBBB、AABB、AA、BB,B错误;过程④和⑤分别是脱分化和再分化过程,C错误;获得的植物d是经过筛选后的植物类型,基因型为AABB,含同源染色体,而且可育,D正确。
2.如图为植物组织培养的基本过程,则制作人工种子、生产人参皂苷干粉,应分别选用的编号是
( )
A.④② B.③② C.③④ D.④③
【解析】选B。图中①为离体的植物组织或器官,②为愈伤组织,③为胚状体,④为新植物体。人工种子是指通过植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料,通过人工薄膜包装得到的种子。因此,要制作人工种子,应该选择编号③;要获得细胞代谢产物,应该培养到愈伤组织。因此,生产人参皂苷干粉,应该选择编号②,故B正确。
3.下面关于植物细胞工程的叙述,正确的是
( )
①不同种植物的叶肉细胞融合时,应先去掉细胞膜
②叶肉细胞脱分化后,可形成无定形状态的薄壁细胞
③叶肉细胞经过再分化过程,可形成愈伤组织
④叶肉细胞离体培养时,可以表现出细胞全能性
A.①③
B.②④
C.①②④
D.①②③④
【解析】选B。植物细胞融合应去掉细胞壁而不是细胞膜;高度分化的叶肉细胞经脱分化后,可形成愈伤组织,愈伤组织是无定形状态的薄壁细胞团;高度分化的植物细胞必须在离体培养的状态下才能表现出全能性。
4.如图为植物体细胞杂交及组织培养过程示意图。下列说法不正确( )
A.过程①②分别需要用胰蛋白酶和聚乙二醇进行处理
B.高尔基体在过程③发挥了重要作用
C.过程⑤需要更换培养基,才能进一步分化为植株
D.若A、B的基因型分别为Rr、Yy,则杂种植株的基因型为RrYy
【解析】选A。题图中①为用纤维素酶和果胶酶对植物细胞A、B进行去除细胞壁的处理,②为用聚乙二醇融合法等诱导原生质体融合,A错误;③为新细胞壁再生的过程,高尔基体与植物细胞壁的形成有关,B正确;过程④⑤分别使用诱导脱分化培养基和诱导再分化培养基,⑤需要更换培养基,才能进一步分化为植株,C正确;若A、B的基因型分别为Rr、Yy,则杂种植株的基因型为RrYy,D正确。
5.以二倍体兰花花药为外植体,经植物组织培养过程获得兰花植株,下列相关叙述不正确的是
( )
A.为防止杂菌污染,①②③过程要进行严格的无菌操作
B.②过程需在培养基中添加多种植物激素以利于再分化
C.该育种过程体现了细胞的全能性
D.经④过程形成的植株中可筛选获得纯合的二倍体
【解析】选B。植物组织培养的过程要求无菌无毒的环境,其中外植体要进行消毒处理,而培养基需灭菌处理,即①②③过程要进行严格的无菌操作,A正确;②过程需在培养基中添加多种植物激素以利于脱分化,B错误;高度分化的细胞首先经过脱分化后形成愈伤组织,然后再分化形成植株,整个育种过程体现了植物细胞的全能性,C正确;④过程形成的植株中可筛选获得纯合的二倍体兰花植株,D正确。
6.甲种植物细胞和乙种植物细胞的结构如图所示(仅显示细胞核),将甲、乙两种植物细胞去掉细胞壁后,诱导二者的原生质体融合,形成单核的杂种细胞,若经过组织培养得到了杂种植株,则该杂种植株是
( )
A.二倍体,基因型是DdYyRr
B.三倍体,基因型是DdYyRr
C.四倍体,基因型是DdYyRr
D.四倍体,基因型是DDddYYyyRRrr
【解析】选C。甲细胞含2个染色体组,乙细胞也含2个染色体组,但由于彼此属于不同的物种,染色体组彼此不同,所以融合后产生的杂种细胞含有4个染色体组,应属于异源四倍体,基因型为DdYyRr。
7.用植物组织培养方法诱导离体的植物组织形成具有生根发芽能力的胚状体结构,再包裹上人造种皮,可制成人工种子,其过程如图。下列相关叙述错误的是( )
A.图示过程依据的原理是植物细胞的全能性
B.进行②过程时,不需要用纤维素酶和果胶酶去掉植
物细胞的细胞壁
C.再分化发生在④过程,是愈伤组织重新分化成根或芽等器官的过程
D.脱分化过程需避光培养,有利于愈伤组织的形成
【解析】选C。图示过程依据的原理是植物细胞的全能性,A正确;进行②脱分化过程时,不需要用纤维素酶和果胶酶去掉植物细胞的细胞壁,B正确;再分化发生在③过程,是愈伤组织重新分化成根或芽等器官的过程,C错误;脱分化形成愈伤组织的过程,需要避光培养,D正确。
二、非选择题(共2小题,共35分)
8.(20分)如图所示为胡萝卜的韧皮部细胞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,请据图回答下列问题。
(1)此过程依据的原理是__________________。B阶段细胞进行的分裂方式是________________,B阶段除了进行细胞分裂外,还进行______________等。?
(2)B阶段需要光照,原因是______________________。?
(3)试管苗的根细胞没有叶绿素,而叶肉细胞具有叶绿素,这是____________
____________________的结果。?
(4)A、B两过程能否在同一培养基上进行?________________。为什么?______
___________________________________________。?
【解析】(1)植物组织培养是指将单个细胞培养成完整个体,这充分体现了植物细胞的全能性;A阶段为脱分化,B阶段为再分化,B阶段细胞进行的分裂方式为有丝分裂,B阶段除了进行细胞分裂外,还要进行细胞分化。(2)植物组织培养在B(再分化)阶段,愈伤组织生根、发芽,并且芽发育成叶,叶绿素需要在光照条件下才能合成。(3)在植物体的不同部位进行不同的生命活动,合成不同的物质,这是基因选择性表达的结果。(4)由于A(脱分化)和B(再分化)两阶段进行的处理及营养、环境要求不同,所以两者不能在同一培养基上进行。
答案:(1)植物细胞的全能性 有丝分裂 细胞分化 (2)芽发育成叶,叶肉细胞中叶绿素的形成需要光照 (3)基因选择性表达 (4)不能 A(脱分化)和B(再分化)两阶段进行的处理及营养、环境要求不同
9.(15分)如图为植物体细胞杂交过程示意图。据图回答:
(1)步骤①是____________________________,最常用的方法是_________
______________。?
(2)在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中,运用的技术手段是______________,其中步骤④相当于____________________,步骤⑤相当于__________。?
(3)原生质体融合的目的是获得__________。远缘杂交的两个亲本的遗传特征能够在新的植物体上有所表现,其根本原因是____________________。?
(4)若远缘杂交亲本A和B都是二倍体,则杂种植株为______________倍体。?
?
(5)从理论上讲,杂种植株的育性为__________。若运用传统有性杂交方法能否实现?______________,原因是______________________________________。?
(6)利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种过程中,遗传物质的传递是否遵循孟德尔的遗传规律?________。为什么?
___________________________
_____________________________。
【解析】(1)用纤维素酶和果胶酶来分解细胞壁(即酶解法)是最常用的制备植物原生质体的方法。(2)由杂种细胞培育到杂种植株运用了植物组织培养技术,经历脱分化和再分化两个重要阶段。(3)原生质体融合是为了获得杂种细胞,当原生质体A和B的融合体再生出细胞壁就意味着杂种细胞的形成。杂种植株同时具备两个杂交亲本的遗传物质,能够表现出两个亲本的遗传特性。(4)若亲本A和B都是二倍体,则杂种植株的体细胞内有四个染色体组,为四倍体。(5)杂种植株的细胞内具有同源染色体,理论上讲是可以进行减数分裂产生正常配子的,是
可育的。不同物种间存在生殖隔离,不会实现有性杂交,即使能杂交,也不会产生可育后代,植物体细胞杂交打破了这种生殖隔离,克服了远缘杂交不亲和的障碍。(6)孟德尔的遗传规律发生在有性生殖的减数分裂过程中,而植物体细胞杂交过程中细胞增殖的方式是有丝分裂,没有减数分裂,故此过程遗传物质的传递不遵循孟德尔遗传规律。
答案:(1)去掉细胞壁,分离出有活力的原生质体
酶解法 (2)植物组织培养 脱分化 再分化
(3)杂种细胞 获得双亲的遗传物质(两个亲本的遗传物质) (4)(异源)四 (5)可育 不能 不同种生物之间存在生殖隔离 (6)不遵循 有性生殖的过程中进行减数分裂,才遵循孟德尔的遗传规律
【互动探究】
(1)杂种植株并没有拥有两种植物全部的性状,为什么?
提示:尽管杂种植株细胞内拥有两种植物的全部基因,但不同种生物之间的基因表达是相互影响的。
(2)杂种植株生长发育的过程中遵循孟德尔遗传规律吗?试分析原因。
提示:遵循。杂种植株细胞内有同源染色体,能进行正常的减数分裂,即能够开花结果,遵循孟德尔遗传规律。
【能力提升】(10分钟·30分)
1.(6分)(不定项)从基因型为Aa的某植物营养器官中获取细胞,显微观察如图所示。下列对该图示细胞的叙述正确的是
( )
A.若将X细胞离体培养成完整植株,培养过程要用纤维素酶和果胶酶处理
B.将Y细胞离体培养成幼苗后用秋水仙素处理,所得植株为纯合子
C.将X和Y融合并经组织培养形成的植株为四倍体
D.X和Z细胞的形态不同,但核DNA一般相同
【解析】选C、D。植物体细胞杂交时,要用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,获得具有活力的原生质体,如果用X细胞离体培养成植株,需经过植物组织培养,不需要去除细胞壁;将Y细胞离体培养成幼苗后用秋水仙素处理,所得植株(基因型为AAaa)为杂合子;将X(Aa)和Y(Aa)融合并经组织培养形成的植株为四倍体(AAaa);X和Z细胞的形态不同,但都是由一个细胞(受精卵)增殖分化而来,因而核DNA一般相同。
2.(6分)(不定项)如图表示利用棉花叶肉细胞原生质体进行遗传改良的过程,据图分析错误的是
( )
A.①过程需在适宜条件下用纤维素酶和果胶酶的混合物处理
B.②过程能定向诱导原生质体产生优良性状的改变
C.③过程中叶肉细胞失去了其特有的结构和功能
D.③④过程需用相同配比的激素处理
【解析】选B、D。植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶,因此常选用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,A正确;紫外线照射诱导生物变异属于基因突变,具有不定向性,B错误;③过程为脱分化,其目的是使原有细胞恢复分裂和分化能力,即失去了其特有的结构和功能,C正确;③过程为脱分化,④过程为再分化,需用不同浓度配比的激素进行诱导,D错误。
【补偿训练】
实验人员利用矮牵牛(二倍体,2n=14)的红色花瓣细胞(液泡呈红色)与枸杞(四倍体,4n=48)叶肉细胞,制备了相应的原生质体,并诱导其融合,经筛选、培养获得杂种植株。下列有关叙述正确的是
( )
A.原生质体融合后直接进行组织培养,获得杂种植株
B.可利用电融合、离心等方法诱导原生质体融合
C.在显微镜下只能观察到花瓣细胞、枸杞细胞和花瓣—枸杞杂种细胞
D.若原生质体均为两两融合,则融合后的细胞中染色体数目均为62条
【解析】选B。原生质体融合后需要先再生出新的细胞壁后才能进行组织培养,A项错误;可利用电融合、离心等方法诱导原生质体融合,B项正确;显微镜下可见到未融合的花瓣细胞、枸杞细胞,也可见到花瓣—花瓣细胞、枸杞—枸杞细胞(同种细胞融合的细胞),还有花瓣—枸杞杂种细胞,C项错误;两两融合的原生质体,若是花瓣—花瓣细胞,则融合后的细胞中染色体数目为28条,若是枸杞—枸杞细胞,则融合后的细胞中染色体数目为96条,若是花瓣—枸杞杂种细胞,则融合后的细胞中染色体数目为62条,D项错误。
【实验·探究】
3.(18分)(2020·天津等级考)某植物有A、B两品种。科研人员在设计品种A组织培养实验时,参照品种B的最佳激素配比(见下表)进行预实验。
品种B组织
培养阶段
细胞分裂素
浓度/(μmol·L-1)
生长素
浓度/(μmol·L-1)
Ⅰ诱导形成愈伤组织
m1
n1
Ⅱ诱导形成幼芽
m2
n2
Ⅲ诱导生根
m3
n3
据表回答:
(1)Ⅰ阶段时通常选择茎尖、幼叶等作为外植体,原因是________________
______________________。?
(2)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段中发生基因选择性表达的是____________________
________________________________阶段。?
(3)为确定品种A的Ⅰ阶段的最适细胞分裂素浓度,参照品种B的激素配比(m1>2.0),以0.5
μmol·L-1为梯度,设计5个浓度水平的实验,细胞分裂素最高浓度应设为____________μmol·L-1。?
(4)Ⅲ阶段时,科研人员分别选用浓度低于或高于n3
μmol·L-1的生长素处理品种A幼芽都能达到最佳生根效果,原因是处理幼芽时,选用低浓度生长素时的处理方法为________________,选用高浓度生长素时的处理方法为____________
__________________。?
(5)在__________阶段用秋水仙素对材料进行处理,最易获得由单个细胞形成的多倍体。?
【解析】本题主要考查植物组织培养和植物激素调节。
(1)茎尖、幼叶分化程度低,分裂能力强,在组织培养中作为外植体,容易经诱导产生愈伤组织。
(2)在组织培养的脱分化和再分化过程中,均会发生基因的选择性表达。
(3)为确定品种A的Ⅰ阶段最适细胞分裂素浓度,参照品种B的激素配比,以0.5
μmol·L-1为梯度,设计5个浓度水平的实验,m1应为中间浓度,则最高浓度应为m1+1.0
μmol·L-1。
(4)生根效果与所用生长素浓度及处理方法、处理时间有关,用低浓度生长素处理时,可用浸泡法进行较长时间处理;用高浓度生长素处理时,可用沾蘸法进行短时间处理,二者可取得相同的处理效果。
(5)秋水仙素抑制有丝分裂过程中纺锤体的形成,Ⅰ阶段细胞分裂旺盛,秋水仙素作用较大,用秋水仙素处理容易获得由单个细胞形成的多倍体。
答案:(1)细胞分化程度低,容易诱导产生愈伤组织 (2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ (3)m1+1.0 (4)浸泡法(长时间处理) 沾蘸法(短时间处理) (5)Ⅰ
