第二节植物细胞工程
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第二节 植物细胞工程
课标领航
1．理解并阐述细胞的全能性。
2．举例说出植物组织培养的过程、原理及应用。
3．简述植物细胞培养的过程及应用。
4．举例说出植物体细胞杂交过程及应用
情景导引
“春风欲擅秋风巧，催吐幽兰继落梅。”素有“天下第一香”之称的兰花(如右图)，以其优美高雅成为文人墨客吟诗作赋的对象。但是，兰花在自然条件下播种繁殖的难度很大，现在科学家发现了兰花快速繁殖的技术——植物组织培养。你想了解这一技术吗？
一、细胞全能性
1．生物体的所有细胞几乎都含有该物种的全套遗传物质，具有发育成为完整个体所必需的_________，因此，这些细胞都具有发育成为一个新的生物个体的_____。细胞的这种特性称为细胞全能性。
2．植物体细胞在适宜的条件下可培育成完整的正常植株，这就是细胞_______的有力证据
二、植物组织培养技术
1．植物组织培养是指依据___________原理，在无菌条件下，分离植物的器官、组织、细胞或_________ (称为外植体)，并在培养基上培养，在适宜条件下使其长成部分或完整植株的技术。
2．植物组织培养最常用的培养材料是植株的茎尖、根尖、叶片和花药等。
3．由已经分化的植物细胞形成愈伤组织的过程，称为植物细胞的_________________。愈伤组织重新诱导分化形成根、芽等器官的过程，称为再分化
4．__________在一定的培养条件下也可诱导形成胚状体(也称为体细胞胚)。如果模拟植物种子的基本结构，在胚状体外包裹人工胚乳和人工种皮，就可制成“人工种子”。
5．人工种子有许多优点，如不受_____因素的制约、繁殖速度快，可在短时间内提供大量种苗、有利于保存种系的优良性状等。
思考感悟
1．在进行植物组织培养的培养基中总是要添加一定量的生长素和细胞分裂素，其主要目的是什么？
【提示】 诱导细胞分裂和芽、根的分化。
三、植物细胞培养
1．植物细胞培养是指在实验室工厂化生产条件下，将组织培养过程中形成的__________或其他易分散的组织置于_____培养基中，进行悬浮培养，得到分散游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增殖，从而获得大量的__________的一种技术。
2．植物细胞培养是在_____________的基础上发展起来的，但与组织培养不同的是，细胞培养的目的不是使细胞形成组织乃至更多的植物体，而是通过大规模的细胞培养以获得人类所需的
思考感悟
2．具有小灵芝草之称的金钗石斛是一种名贵的中草药，它具有生津益胃、润肺止咳之功效。金钗石斛的有效化学成分为大黄酚和β－谷甾醇。我们能否在工厂内大量生产这两种物质呢？
【提示】 取金钗石斛的茎尖或根尖组织，并培养为愈伤组织→放入液体培养基中，进行悬浮培养→得到游离的悬浮细胞→筛选→采用液体培养基在生物发生器内，利用发酵技术进行培养→获得大量的金钗石斛细胞→从混合液中分离纯化大黄酚和β—谷甾醇。
四、植物细胞工程与育种
1．原生质体是指去除____________后获得的裸露的植物细胞。用于细胞工程的原生质体主要来源于各种植物的叶片、_____等部位，此外也可从组织培养产生的__________中获得原生质体。
2．与未去除细胞壁的植物细胞一样，原生质体仍然具有____________，即具有再生细胞壁、进行连续分裂并长成完整植株的能力。原生质体在一定条件下，除了能实现_________外，还能摄入______、质粒、病毒、细菌、细胞器等外源物质，是植物细胞工程进行遗传操作，如基因转移的良好材料。
3．植物体细胞杂交技术是一种非常有用的遗传育种手段，可以克服不同种植物之间杂交的________障碍，实现远缘物种之间的核质组合，从而获得新品种植株。
4．植物细胞工程在育种中成功应用的另一范例是___________与利用。单倍体植株的特点是植株弱小且高度不育，但它们在育种中具有能缩短_________、获得纯系等重要意义。
核心要点突破
要点一植物组织培养
1．植物细胞全能性
(1)内涵：高度分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能。
(2)原因：具有该生物的全部遗传信息。
(3)表达的条件：离体，必备的营养物质等。在体内由于基因的选择性表达，而使细胞发生分化。
(4)全能性表达由高到低依次为：受精卵>干细胞>生殖细胞>体细胞；植物细胞>动物细胞。
【特别提醒】 在植物体内，细胞没有表现出全能性，而是分化成为不同的组织和器官，这是基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果。但它们的遗传潜力并没有丧失，全部的遗传信息仍然被保存在DNA的序列中，一旦脱离原来组织和器官的束缚成为游离状态，并在一定的营养条件和植物激素的诱导下，细胞就能表现出全能性，发育成完整的植株。
2．进行植物组织培养的条件和过程
(1)条件：①植物细胞要处于离体状态。②给予一定的营养物质，如有机物(蔗糖、维生素、植物激素等)和矿质元素等。③无菌条件：即保证培养材料、培养基、培养用具完全无菌。因为一旦感染微生物，它们就会快速繁殖，争夺营养，并且还会产生毒素，使培养物很快中毒死亡。④适宜的环境条件，如适宜的温度和pH等。
名称 过程 结果 生长调节剂 光
脱分化 由外植体脱分化为愈伤组织 形成排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞团 生长素与细胞分裂素 避光
再分化 由愈伤组织分化为幼苗或胚状体 有根、芽或有生根发芽的能力 生长素与细胞分裂素 需光
营养生长生殖生长 发育成完整的植物体 由根、茎、叶、花、果实、种子组成 自身产生各种激素 需光
3．人工种子
(1)培育过程：植物组织培养诱导体细胞胚状体的发生→胚胎发育同步化的控制→人工种皮的包埋等。
(2)结构：
(3)优点：可使在自然条件下不结实或种子昂贵的植物得以繁殖；保持亲本的优良性状；节约粮食，减少种子的使用。
例11958年美国科学家将胡萝卜韧皮部的细胞培养产生完整植株(如下图)，请回答
(1)科学家所用的胡萝卜韧皮部的细胞，在正常生物体内是否能够进行有丝分裂？说明原因。
(2)韧皮部细胞通过________和________形成植株，形成的植株的特点是________________________________________________________________________。
(3)此实验证明了高度分化的植物细胞仍有发育成完整植株的能力，即具有________，高度分化的细胞具有此特性是由于________________________________________________________________________
(4)下表为几种组织培养的培养基配方的部分成分及培养条件和特点。
培养基作用 糖类 大量元素 微量元素 植物激素 条件
建立愈伤组织的培养基 蔗糖 N、P、K Ca、Mg、S等 B、Cu、Mn、Mo、Cl、Fe等 2,4-D 25 ℃黑暗
培养根尖的培养基 蔗糖 N、P、K、Ca、Mg、S等 B、Cu、Mn、Mo、Cl、Fe等 － 15 ℃黑暗
培养茎尖的培养基 蔗糖 N、P、K、Ca、Mg、S等 B、Cu、Mn、Mo、Cl、Fe等 萘乙酸 18 ℃连续光照
根据上表分析说明，组织培养的条件和特点是：________________________________________________________________________
(5)试简要说明组织培养技术的优点以及这一技术在实践中的具体应用。
【尝试解答】 (1)不能分裂，原因是植物韧皮部的细胞已经高度分化，在正常植物体内，这些细胞不再分裂。
(2)细胞分裂 细胞分化 彼此性状极为相似
(3)全能性 这些细胞最终由同一细胞(受精卵)经有丝分裂形成，在进行有丝分裂时，遗传物质经过复制，平均分配到子细胞中，所以子细胞的细胞核中含有保持该物种遗传性所需要的全套遗传物质
(4)组织培养的培养基中一般都含有维持细胞正常生活的物质，如蔗糖、大量元素和微量元素等，不同功能的培养基中还含有不同的植物激素，同时因为培养的目的不同，培养的外界条件(光照和温度等)也不同，这些是组织分化的条件
(5)植物组织培养不仅从植物体上取材少；培养周期短；繁殖率高，而且便于自动化管理。目前这项技术已经在花卉和果树的快速繁殖、培育无病毒植物、生产药物、食品添加剂、制造人工种子等方面得到了广泛的应用。
【解析】 (1)在生物体内已经高度分化的细胞不再具有分裂能力。
(2)(3)韧皮部细胞为胡萝卜体细胞，其细胞核内含有其生长发育所需要的全部遗传物质，遗传物质在特定时间和特定空间的表达从而形成许多植物。
(4)在植物组织培养过程中，不同的营养条件、不同的植物激素对植物细胞的表达影响不同。
(5)该项技术属于无性生殖范畴，不但能保护亲本的优良性状，而且便于管理。
跟踪训练 植物组织培养依据的原理、培养过程的顺序及诱导的植物激素分别是( )
①细胞的全能性 ②离体植物器官、组织或细胞 ③根，芽 ④生长素和细胞分裂素 ⑤生长素和乙烯 ⑥愈伤组织 ⑦再分化 ⑧脱分化 ⑨植物体
A．①、②⑧⑥⑦③⑨和④
B．①、②⑦⑥⑧③⑨和⑤
C．①、⑥②⑨⑧③⑦和⑤
D．①、②⑨⑧⑥⑦③和④
解析：选A。植物组织培养的理论基础是细胞的全能性，其培养过程中先是出现脱分化，然后才出现再分化。生长素和细胞分裂素能促进细胞分裂、分化，在培养的不同时期对两者的比例会有不同要求，因此是不可缺少的特殊添加物。
要点二：植物细胞培养
1．与植物组织培养的比较
植物组织培养 植物细胞培养
利用原理 细胞全能性 细胞增殖
培养基 固体培养基 液体培养基
培养对象 离体的植物器官、组织、细胞或原生质体 由愈伤组织分散得到的悬浮细胞
培养过程 外植体→脱分化→再分化→芽、根→植物幼苗 愈伤组织→分散成悬浮细胞→继代培养→细胞次生代谢产物
培养目的 植物幼苗 细胞的次生代谢产物
二者关系 植物组织培养是植物细胞培养的基础；它们都属于植物细胞工程的范畴
2.培养过程
筛选细胞→获得次生代谢产物含量高、生长迅速的单细胞无性繁殖系→扩大培养→发酵生产→分离纯化次生代谢产物。
3．优点
(1)可快速、高效地生产具有生理活性的次生代谢产物。
(2)生产不受季节、外部环境等条件的限制。
【特别提醒】 细胞次生代谢产物的生产需要植物细胞培养和发酵工程结合获得
例2医学研究发现紫杉醇能有效治疗某些癌症。获得紫杉醇的传统方法是从红豆杉属植物的树皮中提取，但产量有限，也不利于濒危植物红豆杉的保护。研究发现，红豆杉的其他组织细胞也能生产紫杉醇，有人尝试用植物细胞工程技术生产。下图为三种红豆杉细胞培养过程中细胞数量、紫杉醇产量与培养时间的数据图。请回答
(1)据图分析，获得高产紫杉醇应选________红豆杉为原料，培养后期紫杉醇产量出现下降的原因包括_______________________________________
_________________________________等
(2)将红豆杉细胞经组织培养形成________方可接种到培养基中。
(3)利用组织培养技术生产与传统方法提取紫杉醇相比，前者具有________(至少答出两点)优点。
【尝试解答】 (1)云南 活细胞数量减少，某些有害代谢产物的积累
(2)愈伤组织
(3)产量高、节约资源、保护环境等
【解析】 (1)由紫杉醇含量数据图可知云南红豆杉产量最高，随着培养时间的加长，培养基中营养物质减少，某些有害代谢产物积累，使活细胞数量减少，从而紫杉醇产量下降。
(2)培养是为了获得细胞产物，所以培养到愈伤组织即可。
(3)组织培养到愈伤组织时，这些细胞产量高，耗材少，且不会对环境造成污染。
跟踪训练 下列关于植物细胞培养的叙述不正确的是( )
A．植物细胞培养是指在实验室工厂化生产的条件下，进行悬浮培养，从而获得大量细胞群体的一种技术
B．植物细胞培养是在植物组织培养技术的基础上发展起来的
C．植物细胞培养的培养基主要由水、无机营养、有机营养、天然附加物和生长物质等组成
D．根据培养对象不同可分为液体培养和固体培养
解析：选D。根据培养对象不同分为单细胞培养、单倍体培养和原生质体培养，根据培养基类型的不同分为液体培养和固体培养。
要点二植物体细胞杂交
1．具体过程
第一步：去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体。常用方法是“酶解法”，即用纤维素酶和果胶酶等分解细胞壁。
第二步：将两个有活力的原生质体放在一起，通过人工诱导实现原生质体的融合。常用的诱导方法有：物理法和化学法。物理法是利用离心、振动、电刺激等促进原生质体融合。化学法是用聚乙二醇(PEG)等为诱导剂诱导融合。
第三步：将诱导融合得到的杂种细胞，用植物细胞培养的方法进行培育，就可以得到杂种植株。
植物体细胞杂交过程示意图
2．目的
植物体细胞杂交的终点是培育成杂种植株，而不是形成杂种细胞。杂种植株特征：具备两种植物的遗传特征，原因是杂种植株中含有两种植物的遗传物质。
3．优点
克服远缘杂交的不亲和障碍。
【特别提醒】 ①植物体细胞杂交过程中无有性生殖细胞的结合，属于无性生殖。
②从杂种植株的染色体组成上看，染色体数目增加，植物体细胞杂交属于染色体数目的变异。
例3科学家利用细胞工程培育出了“白菜—甘蓝”杂种植株，如图所示，请据图回答下列问题。
(1)图中A、B的制备，需要去除细胞壁，此时要用到________酶和________酶；从本质上讲，“白菜一甘蓝”杂种植株具有的性状是________的结果。
(2)在________的方法下形成C细胞，杂种细胞D生成的标志是形成________；由D形成E的过程称为________，由D→F这项技术的生物学基础是________；由E形成F的过程中细胞的增殖方式为________。
(3)若“白菜—甘蓝”杂种植株为四倍体，则该植株的花粉经离体培养得到的植株是________倍体，若用秋水仙素处理该花粉培养得到的植株，则培育成的植株是________。(填“纯合子”或“杂合子”)
(4)“白菜—甘蓝”杂种植株的食用部分是叶，但叶易受昆虫危害而影响产量，科学家又利用基因工程培育出带有抗虫基因的“白菜—甘蓝”植株，请你设计实验，检测此植株的抗虫基因是否表达。
①取昆虫幼虫放到带有抗虫基因的“白菜—甘蓝”植株甲上，再取等量的、生活状态基本一致的昆虫幼虫放在________植株乙上。
②适宜条件下培养一段时间后，分别观察昆虫幼虫的生活情况。
③若________，说明甲植株的抗虫基因没有得到表达；若________，说明甲植株的抗虫基因得到表达。
(5)在大面积种植带有抗虫基因的“白菜—甘蓝”的同时，间隔种植普通“白菜—甘蓝”或其他蔬菜，供昆虫幼虫取食。这种做法的主要目的是( )
A．维持“白菜—甘蓝”菜地的物种多样性
B．减缓昆虫幼虫抗性基因频率增加的速度
C．使食虫鸟有虫可食
D．维持菜地生态系统中的能量流动
【尝试解答】 (1)纤维素 果胶 基因选择性表达
(2)人工诱导 新的细胞壁 脱分化(去分化) 细胞全能性 有丝分裂 (3)单 纯合子 (4)①与植株甲长势相似的普通“白菜—甘蓝” ③甲、乙植株上昆虫幼虫正常生活 甲植株上昆虫幼虫死亡，乙植株上昆虫幼虫正常生活(其他合理答案也可) (5)B
【解析】 此题主要考查了植物体细胞杂交的过程及基因工程的有关内容。(1)去除细胞壁常用酶解法，根据酶的专一性，去除植物细胞壁要用纤维素酶和果胶酶，对于杂种植株性状的表现是基因选择性表达的结果。(2)C细胞的形成需人工诱导，包括物理法和化学法，D细胞形成的标志是再生出新的细胞壁。由D→E是脱分化，由E→F为再分化，上述过程中均进行有丝分裂。(3)花粉离体培养得到单倍体，再经秋水仙素处理后得到纯合的四倍体植株。(4)对于转入的目的基因的检测与鉴定，可以采取是否为转基因的“白菜—甘蓝”植株作为惟一变量构成对照实验，如果目的基因成功表达，应当得到转基因的植株上昆虫幼虫死亡而非转基因的植株上昆虫幼虫存活的结果，如果都存活，说明目的基因未表达。(5)在转基因大田里间隔种植非转基因植株的主要目的是减缓抗性基因频率增加的速度。
【规律方法】 解答有关植物体细胞杂交的有关问题应特别注意以下几点：
(1)植物体细胞杂交离不开植物组织培养。
(2)植物体细胞杂交的原理是细胞膜的流动性和细胞全能性。
(3)植物体细胞融合与植物体细胞杂交结束的标志不同。前者是再生出新的细胞壁，后者是形成杂种植株。
(4)杂种细胞虽然具有两种细胞的遗传物质，但这些遗传物质并不一定都表达。
跟踪训练 如图是植物细胞杂交过程示意图，据图分析回答。
(1)图中①过程是______，目前最常用的方法是________。
(2)②过程的发生，必须进行________，其方法有________法和________法。原生质体融合的关键是________的融合。
(3)在③④过程中，细胞分裂的主要方式是________。
(4)植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株，使______能够在新的植物体上有所表现，其根本原因是________。
(5)若远源杂交亲本A和B都是二倍体，则杂种植株为________倍体。
(6)从理论上讲，杂种植株的育性为________。运用传统有性杂交方法能否实现？________。试说明理由：________________________________
________________________________________。
(7)利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种的过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔遗传规律？为什么？
解析：植物体细胞杂交的障碍是细胞壁，其主要成分是纤维素和果胶，通常采用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁，此方法称为酶解法。获得原生质体后需要在人工诱导下融合，采用的方法有物理法和化学法。细胞原生质体融合的关键是细胞膜的融合，利用的是细胞膜的流动性。图中③④过程细胞数目增多的方式为有丝分裂。植物体细胞杂交的目的是使具有不同遗传组成的两种植物细胞融合获得具有两种生物遗传物质的杂种植株。若两种植物细胞中各有两个染色体组，则形成的杂种细胞中染色体组数为4，从理论上讲是可育的。但由于两种植物间存在着生殖隔离，因此欲获得如上所述遗传组成的杂种植株不能通过有性杂交实现。两种植物体细胞融合的过程虽然使来源不同的遗传物质集中到了杂种植株体内，但整个过程属于无性繁殖，故不遵循孟德尔遗传规律。
答案：(1)去除细胞壁 酶解法(用纤维素酶和果胶酶处理)(2)人工诱导 物理 化学 细胞膜
(3)有丝分裂(4)两种植物的性状 杂种细胞中具有两种植物的遗传物质 (5)四(6)可育 不能 因为两种植物之间存在生殖隔离(7)不遵循。整个过程不是有性生殖过程。
课标领航
1．理解并阐述细胞的全能性。
2．举例说出植物组织培养的过程、原理及应用。
3．简述植物细胞培养的过程及应用。
4．举例说出植物体细胞杂交过程及应用
情景导引
“春风欲擅秋风巧，催吐幽兰继落梅。”素有“天下第一香”之称的兰花(如右图)，以其优美高雅成为文人墨客吟诗作赋的对象。但是，兰花在自然条件下播种繁殖的难度很大，现在科学家发现了兰花快速繁殖的技术——植物组织培养。你想了解这一技术吗？
一、细胞全能性
1．生物体的所有细胞几乎都含有该物种的全套遗传物质，具有发育成为完整个体所必需的_________，因此，这些细胞都具有发育成为一个新的生物个体的_____。细胞的这种特性称为细胞全能性。
2．植物体细胞在适宜的条件下可培育成完整的正常植株，这就是细胞_______的有力证据
二、植物组织培养技术
1．植物组织培养是指依据___________原理，在无菌条件下，分离植物的器官、组织、细胞或_________ (称为外植体)，并在培养基上培养，在适宜条件下使其长成部分或完整植株的技术。
2．植物组织培养最常用的培养材料是植株的茎尖、根尖、叶片和花药等。
3．由已经分化的植物细胞形成愈伤组织的过程，称为植物细胞的_________________。愈伤组织重新诱导分化形成根、芽等器官的过程，称为再分化
4．__________在一定的培养条件下也可诱导形成胚状体(也称为体细胞胚)。如果模拟植物种子的基本结构，在胚状体外包裹人工胚乳和人工种皮，就可制成“人工种子”。
5．人工种子有许多优点，如不受_____因素的制约、繁殖速度快，可在短时间内提供大量种苗、有利于保存种系的优良性状等。
思考感悟
1．在进行植物组织培养的培养基中总是要添加一定量的生长素和细胞分裂素，其主要目的是什么？
【提示】 诱导细胞分裂和芽、根的分化。
三、植物细胞培养
1．植物细胞培养是指在实验室工厂化生产条件下，将组织培养过程中形成的__________或其他易分散的组织置于_____培养基中，进行悬浮培养，得到分散游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增殖，从而获得大量的__________的一种技术。
2．植物细胞培养是在_____________的基础上发展起来的，但与组织培养不同的是，细胞培养的目的不是使细胞形成组织乃至更多的植物体，而是通过大规模的细胞培养以获得人类所需的
思考感悟
2．具有小灵芝草之称的金钗石斛是一种名贵的中草药，它具有生津益胃、润肺止咳之功效。金钗石斛的有效化学成分为大黄酚和β－谷甾醇。我们能否在工厂内大量生产这两种物质呢？
【提示】 取金钗石斛的茎尖或根尖组织，并培养为愈伤组织→放入液体培养基中，进行悬浮培养→得到游离的悬浮细胞→筛选→采用液体培养基在生物发生器内，利用发酵技术进行培养→获得大量的金钗石斛细胞→从混合液中分离纯化大黄酚和β—谷甾醇。
四、植物细胞工程与育种
1．原生质体是指去除____________后获得的裸露的植物细胞。用于细胞工程的原生质体主要来源于各种植物的叶片、_____等部位，此外也可从组织培养产生的__________中获得原生质体。
2．与未去除细胞壁的植物细胞一样，原生质体仍然具有____________，即具有再生细胞壁、进行连续分裂并长成完整植株的能力。原生质体在一定条件下，除了能实现_________外，还能摄入______、质粒、病毒、细菌、细胞器等外源物质，是植物细胞工程进行遗传操作，如基因转移的良好材料。
3．植物体细胞杂交技术是一种非常有用的遗传育种手段，可以克服不同种植物之间杂交的________障碍，实现远缘物种之间的核质组合，从而获得新品种植株。
4．植物细胞工程在育种中成功应用的另一范例是___________与利用。单倍体植株的特点是植株弱小且高度不育，但它们在育种中具有能缩短_________、获得纯系等重要意义。
核心要点突破
要点一植物组织培养
1．植物细胞全能性
(1)内涵：高度分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能。
(2)原因：具有该生物的全部遗传信息。
(3)表达的条件：离体，必备的营养物质等。在体内由于基因的选择性表达，而使细胞发生分化。
(4)全能性表达由高到低依次为：受精卵>干细胞>生殖细胞>体细胞；植物细胞>动物细胞。
【特别提醒】 在植物体内，细胞没有表现出全能性，而是分化成为不同的组织和器官，这是基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果。但它们的遗传潜力并没有丧失，全部的遗传信息仍然被保存在DNA的序列中，一旦脱离原来组织和器官的束缚成为游离状态，并在一定的营养条件和植物激素的诱导下，细胞就能表现出全能性，发育成完整的植株。
2．进行植物组织培养的条件和过程
(1)条件：①植物细胞要处于离体状态。②给予一定的营养物质，如有机物(蔗糖、维生素、植物激素等)和矿质元素等。③无菌条件：即保证培养材料、培养基、培养用具完全无菌。因为一旦感染微生物，它们就会快速繁殖，争夺营养，并且还会产生毒素，使培养物很快中毒死亡。④适宜的环境条件，如适宜的温度和pH等。
名称 过程 结果 生长调节剂 光
脱分化 由外植体脱分化为愈伤组织 形成排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞团 生长素与细胞分裂素 避光
再分化 由愈伤组织分化为幼苗或胚状体 有根、芽或有生根发芽的能力 生长素与细胞分裂素 需光
营养生长生殖生长 发育成完整的植物体 由根、茎、叶、花、果实、种子组成 自身产生各种激素 需光
3．人工种子
(1)培育过程：植物组织培养诱导体细胞胚状体的发生→胚胎发育同步化的控制→人工种皮的包埋等。
(2)结构：
(3)优点：可使在自然条件下不结实或种子昂贵的植物得以繁殖；保持亲本的优良性状；节约粮食，减少种子的使用。
例11958年美国科学家将胡萝卜韧皮部的细胞培养产生完整植株(如下图)，请回答
(1)科学家所用的胡萝卜韧皮部的细胞，在正常生物体内是否能够进行有丝分裂？说明原因。
(2)韧皮部细胞通过________和________形成植株，形成的植株的特点是________________________________________________________________________。
(3)此实验证明了高度分化的植物细胞仍有发育成完整植株的能力，即具有________，高度分化的细胞具有此特性是由于________________________________________________________________________
(4)下表为几种组织培养的培养基配方的部分成分及培养条件和特点。
培养基作用 糖类 大量元素 微量元素 植物激素 条件
建立愈伤组织的培养基 蔗糖 N、P、K Ca、Mg、S等 B、Cu、Mn、Mo、Cl、Fe等 2,4-D 25 ℃黑暗
培养根尖的培养基 蔗糖 N、P、K、Ca、Mg、S等 B、Cu、Mn、Mo、Cl、Fe等 － 15 ℃黑暗
培养茎尖的培养基 蔗糖 N、P、K、Ca、Mg、S等 B、Cu、Mn、Mo、Cl、Fe等 萘乙酸 18 ℃连续光照
根据上表分析说明，组织培养的条件和特点是：________________________________________________________________________
(5)试简要说明组织培养技术的优点以及这一技术在实践中的具体应用。
【尝试解答】 (1)不能分裂，原因是植物韧皮部的细胞已经高度分化，在正常植物体内，这些细胞不再分裂。
(2)细胞分裂 细胞分化 彼此性状极为相似
(3)全能性 这些细胞最终由同一细胞(受精卵)经有丝分裂形成，在进行有丝分裂时，遗传物质经过复制，平均分配到子细胞中，所以子细胞的细胞核中含有保持该物种遗传性所需要的全套遗传物质
(4)组织培养的培养基中一般都含有维持细胞正常生活的物质，如蔗糖、大量元素和微量元素等，不同功能的培养基中还含有不同的植物激素，同时因为培养的目的不同，培养的外界条件(光照和温度等)也不同，这些是组织分化的条件
(5)植物组织培养不仅从植物体上取材少；培养周期短；繁殖率高，而且便于自动化管理。目前这项技术已经在花卉和果树的快速繁殖、培育无病毒植物、生产药物、食品添加剂、制造人工种子等方面得到了广泛的应用。
【解析】 (1)在生物体内已经高度分化的细胞不再具有分裂能力。
(2)(3)韧皮部细胞为胡萝卜体细胞，其细胞核内含有其生长发育所需要的全部遗传物质，遗传物质在特定时间和特定空间的表达从而形成许多植物。
(4)在植物组织培养过程中，不同的营养条件、不同的植物激素对植物细胞的表达影响不同。
(5)该项技术属于无性生殖范畴，不但能保护亲本的优良性状，而且便于管理。
跟踪训练 植物组织培养依据的原理、培养过程的顺序及诱导的植物激素分别是( )
①细胞的全能性 ②离体植物器官、组织或细胞 ③根，芽 ④生长素和细胞分裂素 ⑤生长素和乙烯 ⑥愈伤组织 ⑦再分化 ⑧脱分化 ⑨植物体
A．①、②⑧⑥⑦③⑨和④
B．①、②⑦⑥⑧③⑨和⑤
C．①、⑥②⑨⑧③⑦和⑤
D．①、②⑨⑧⑥⑦③和④
解析：选A。植物组织培养的理论基础是细胞的全能性，其培养过程中先是出现脱分化，然后才出现再分化。生长素和细胞分裂素能促进细胞分裂、分化，在培养的不同时期对两者的比例会有不同要求，因此是不可缺少的特殊添加物。
要点二：植物细胞培养
1．与植物组织培养的比较
植物组织培养 植物细胞培养
利用原理 细胞全能性 细胞增殖
培养基 固体培养基 液体培养基
培养对象 离体的植物器官、组织、细胞或原生质体 由愈伤组织分散得到的悬浮细胞
培养过程 外植体→脱分化→再分化→芽、根→植物幼苗 愈伤组织→分散成悬浮细胞→继代培养→细胞次生代谢产物
培养目的 植物幼苗 细胞的次生代谢产物
二者关系 植物组织培养是植物细胞培养的基础；它们都属于植物细胞工程的范畴
2.培养过程
筛选细胞→获得次生代谢产物含量高、生长迅速的单细胞无性繁殖系→扩大培养→发酵生产→分离纯化次生代谢产物。
3．优点
(1)可快速、高效地生产具有生理活性的次生代谢产物。
(2)生产不受季节、外部环境等条件的限制。
【特别提醒】 细胞次生代谢产物的生产需要植物细胞培养和发酵工程结合获得
例2医学研究发现紫杉醇能有效治疗某些癌症。获得紫杉醇的传统方法是从红豆杉属植物的树皮中提取，但产量有限，也不利于濒危植物红豆杉的保护。研究发现，红豆杉的其他组织细胞也能生产紫杉醇，有人尝试用植物细胞工程技术生产。下图为三种红豆杉细胞培养过程中细胞数量、紫杉醇产量与培养时间的数据图。请回答
(1)据图分析，获得高产紫杉醇应选________红豆杉为原料，培养后期紫杉醇产量出现下降的原因包括_______________________________________
_________________________________等
(2)将红豆杉细胞经组织培养形成________方可接种到培养基中。
(3)利用组织培养技术生产与传统方法提取紫杉醇相比，前者具有________(至少答出两点)优点。
【尝试解答】 (1)云南 活细胞数量减少，某些有害代谢产物的积累
(2)愈伤组织
(3)产量高、节约资源、保护环境等
【解析】 (1)由紫杉醇含量数据图可知云南红豆杉产量最高，随着培养时间的加长，培养基中营养物质减少，某些有害代谢产物积累，使活细胞数量减少，从而紫杉醇产量下降。
(2)培养是为了获得细胞产物，所以培养到愈伤组织即可。
(3)组织培养到愈伤组织时，这些细胞产量高，耗材少，且不会对环境造成污染。
跟踪训练 下列关于植物细胞培养的叙述不正确的是( )
A．植物细胞培养是指在实验室工厂化生产的条件下，进行悬浮培养，从而获得大量细胞群体的一种技术
B．植物细胞培养是在植物组织培养技术的基础上发展起来的
C．植物细胞培养的培养基主要由水、无机营养、有机营养、天然附加物和生长物质等组成
D．根据培养对象不同可分为液体培养和固体培养
解析：选D。根据培养对象不同分为单细胞培养、单倍体培养和原生质体培养，根据培养基类型的不同分为液体培养和固体培养。
要点二植物体细胞杂交
1．具体过程
第一步：去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体。常用方法是“酶解法”，即用纤维素酶和果胶酶等分解细胞壁。
第二步：将两个有活力的原生质体放在一起，通过人工诱导实现原生质体的融合。常用的诱导方法有：物理法和化学法。物理法是利用离心、振动、电刺激等促进原生质体融合。化学法是用聚乙二醇(PEG)等为诱导剂诱导融合。
第三步：将诱导融合得到的杂种细胞，用植物细胞培养的方法进行培育，就可以得到杂种植株。
植物体细胞杂交过程示意图
2．目的
植物体细胞杂交的终点是培育成杂种植株，而不是形成杂种细胞。杂种植株特征：具备两种植物的遗传特征，原因是杂种植株中含有两种植物的遗传物质。
3．优点
克服远缘杂交的不亲和障碍。
【特别提醒】 ①植物体细胞杂交过程中无有性生殖细胞的结合，属于无性生殖。
②从杂种植株的染色体组成上看，染色体数目增加，植物体细胞杂交属于染色体数目的变异。
例3科学家利用细胞工程培育出了“白菜—甘蓝”杂种植株，如图所示，请据图回答下列问题。
(1)图中A、B的制备，需要去除细胞壁，此时要用到________酶和________酶；从本质上讲，“白菜一甘蓝”杂种植株具有的性状是________的结果。
(2)在________的方法下形成C细胞，杂种细胞D生成的标志是形成________；由D形成E的过程称为________，由D→F这项技术的生物学基础是________；由E形成F的过程中细胞的增殖方式为________。
(3)若“白菜—甘蓝”杂种植株为四倍体，则该植株的花粉经离体培养得到的植株是________倍体，若用秋水仙素处理该花粉培养得到的植株，则培育成的植株是________。(填“纯合子”或“杂合子”)
(4)“白菜—甘蓝”杂种植株的食用部分是叶，但叶易受昆虫危害而影响产量，科学家又利用基因工程培育出带有抗虫基因的“白菜—甘蓝”植株，请你设计实验，检测此植株的抗虫基因是否表达。
①取昆虫幼虫放到带有抗虫基因的“白菜—甘蓝”植株甲上，再取等量的、生活状态基本一致的昆虫幼虫放在________植株乙上。
②适宜条件下培养一段时间后，分别观察昆虫幼虫的生活情况。
③若________，说明甲植株的抗虫基因没有得到表达；若________，说明甲植株的抗虫基因得到表达。
(5)在大面积种植带有抗虫基因的“白菜—甘蓝”的同时，间隔种植普通“白菜—甘蓝”或其他蔬菜，供昆虫幼虫取食。这种做法的主要目的是( )
A．维持“白菜—甘蓝”菜地的物种多样性
B．减缓昆虫幼虫抗性基因频率增加的速度
C．使食虫鸟有虫可食
D．维持菜地生态系统中的能量流动
【尝试解答】 (1)纤维素 果胶 基因选择性表达
(2)人工诱导 新的细胞壁 脱分化(去分化) 细胞全能性 有丝分裂 (3)单 纯合子 (4)①与植株甲长势相似的普通“白菜—甘蓝” ③甲、乙植株上昆虫幼虫正常生活 甲植株上昆虫幼虫死亡，乙植株上昆虫幼虫正常生活(其他合理答案也可) (5)B
【解析】 此题主要考查了植物体细胞杂交的过程及基因工程的有关内容。(1)去除细胞壁常用酶解法，根据酶的专一性，去除植物细胞壁要用纤维素酶和果胶酶，对于杂种植株性状的表现是基因选择性表达的结果。(2)C细胞的形成需人工诱导，包括物理法和化学法，D细胞形成的标志是再生出新的细胞壁。由D→E是脱分化，由E→F为再分化，上述过程中均进行有丝分裂。(3)花粉离体培养得到单倍体，再经秋水仙素处理后得到纯合的四倍体植株。(4)对于转入的目的基因的检测与鉴定，可以采取是否为转基因的“白菜—甘蓝”植株作为惟一变量构成对照实验，如果目的基因成功表达，应当得到转基因的植株上昆虫幼虫死亡而非转基因的植株上昆虫幼虫存活的结果，如果都存活，说明目的基因未表达。(5)在转基因大田里间隔种植非转基因植株的主要目的是减缓抗性基因频率增加的速度。
【规律方法】 解答有关植物体细胞杂交的有关问题应特别注意以下几点：
(1)植物体细胞杂交离不开植物组织培养。
(2)植物体细胞杂交的原理是细胞膜的流动性和细胞全能性。
(3)植物体细胞融合与植物体细胞杂交结束的标志不同。前者是再生出新的细胞壁，后者是形成杂种植株。
(4)杂种细胞虽然具有两种细胞的遗传物质，但这些遗传物质并不一定都表达。
跟踪训练 如图是植物细胞杂交过程示意图，据图分析回答。
(1)图中①过程是______，目前最常用的方法是________。
(2)②过程的发生，必须进行________，其方法有________法和________法。原生质体融合的关键是________的融合。
(3)在③④过程中，细胞分裂的主要方式是________。
(4)植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株，使______能够在新的植物体上有所表现，其根本原因是________。
(5)若远源杂交亲本A和B都是二倍体，则杂种植株为________倍体。
(6)从理论上讲，杂种植株的育性为________。运用传统有性杂交方法能否实现？________。试说明理由：________________________________
________________________________________。
(7)利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种的过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔遗传规律？为什么？
解析：植物体细胞杂交的障碍是细胞壁，其主要成分是纤维素和果胶，通常采用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁，此方法称为酶解法。获得原生质体后需要在人工诱导下融合，采用的方法有物理法和化学法。细胞原生质体融合的关键是细胞膜的融合，利用的是细胞膜的流动性。图中③④过程细胞数目增多的方式为有丝分裂。植物体细胞杂交的目的是使具有不同遗传组成的两种植物细胞融合获得具有两种生物遗传物质的杂种植株。若两种植物细胞中各有两个染色体组，则形成的杂种细胞中染色体组数为4，从理论上讲是可育的。但由于两种植物间存在着生殖隔离，因此欲获得如上所述遗传组成的杂种植株不能通过有性杂交实现。两种植物体细胞融合的过程虽然使来源不同的遗传物质集中到了杂种植株体内，但整个过程属于无性繁殖，故不遵循孟德尔遗传规律。
答案：(1)去除细胞壁 酶解法(用纤维素酶和果胶酶处理)(2)人工诱导 物理 化学 细胞膜
(3)有丝分裂(4)两种植物的性状 杂种细胞中具有两种植物的遗传物质 (5)四(6)可育 不能 因为两种植物之间存在生殖隔离(7)不遵循。整个过程不是有性生殖过程。