2017-2018年高中生物 第一單元 生物技術(shù)與生物工程 第二章 細(xì)胞工程 第2節(jié) 植物組織培養(yǎng)學(xué)案 中圖版選修3

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1、 第二節(jié)　植物組織培養(yǎng) 1．理解植物細(xì)胞全能性的含義。 2．簡述植物組織培養(yǎng)的過程。(重點) 3．說出植物組織培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用。(難點) 植 物 細(xì) 胞 的 全 能 性 與 植 物 組 織 培 養(yǎng) 技 術(shù) 1．植物細(xì)胞的全能性 (1)含義 植物體的每一個活細(xì)胞都具有形成完整植物體的遺傳潛能。 (2)物質(zhì)基礎(chǔ) 植物體的全部體細(xì)胞都具有發(fā)育為完整個體所必需的全套遺傳物質(zhì)。 (3)現(xiàn)實表現(xiàn) ①在植物體內(nèi)，細(xì)胞分化成為不同的組織和器官。 ②原因：基因在特定的時間和空間條件下選擇性表達(dá)的結(jié)果。 (4)體現(xiàn)全能性的必需條件 ①脫離原來組織器官的束縛，成為游離

2、狀態(tài)。 ②一定的營養(yǎng)條件和植物激素的誘導(dǎo)。 2．植物組織培養(yǎng)技術(shù) (1)植物組織培養(yǎng)的概念 ①培養(yǎng)對象：外植體(即離體的植物器官、組織或細(xì)胞)。 ②條件：a.無菌，b.含有營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基，c.適宜的光照、溫度、濕度等環(huán)境條件。 ③結(jié)果：形成完整植株。 ④核心：誘導(dǎo)脫分化和再分化。 (2)原理 植物細(xì)胞的全能性。 (3)過程 探討：植物的種子能發(fā)育成完整的植株，是否體現(xiàn)了細(xì)胞的全能性？為什么？ 提示：沒有，因為種子中的胚已完成了早期發(fā)育，相當(dāng)于新植物體的幼體，發(fā)育成完整植株的過程，相當(dāng)于植物的長大。 探討：美國科學(xué)家將分離得到的成熟胡蘿卜根的韌皮部細(xì)胞進行

3、培養(yǎng)，由單個細(xì)胞發(fā)育成了完整植株，培養(yǎng)過程如下圖所示。 此實驗說明了什么問題？ 提示：分化的植物細(xì)胞仍具有全能性。 探討：在菊花的組織培養(yǎng)操作完成了3～4天后，觀察同一溫室中的外植體，發(fā)現(xiàn)有的瓶內(nèi)外植體正常生長，有的瓶內(nèi)外植體死亡，你認(rèn)為外植體死亡的原因可能有哪些？ 提示：接種時培養(yǎng)基滅菌不徹底；接種工具灼燒后未待冷卻就接種外植體；培養(yǎng)過程中保持溫度、pH的適宜，但沒有及時調(diào)整各種營養(yǎng)物質(zhì)和激素的比例。 1．植物細(xì)胞全能性表達(dá)所需條件 (1)體細(xì)胞未表現(xiàn)全能性的原因：基因的選擇性表達(dá)。 (2)體現(xiàn)細(xì)胞全能性的條件： 材料 離體的細(xì)胞、組織或器官 培養(yǎng)基 種類齊全、

4、比例合適的營養(yǎng)物質(zhì)及一定的植物激素 外界條件 ①無菌操作 ②光照：愈傷組織培養(yǎng)最初避光培養(yǎng)，后期見光培養(yǎng) ③適宜的濕度、溫度 2.脫分化和再分化的比較 過程名稱 過程 形成體特點 脫分化 離體細(xì)胞→ 愈傷組織 排列疏松、高度液泡化的薄壁細(xì)胞團 再分化 愈傷組織→ 幼芽或胚狀體 有根、芽或有生根發(fā)芽的能力 3.植物組織培養(yǎng)應(yīng)注意的問題 (1)無菌：植物組織培養(yǎng)成功的關(guān)鍵是避免微生物的污染，所有實驗用具要嚴(yán)格滅菌，接種過程進行嚴(yán)格的無菌操作。 (2)取材：外植體的遺傳特征、取材位置都會影響愈傷組織的再分化能力。 (3)營養(yǎng)比：培養(yǎng)基中必須含有植物生長發(fā)育所需

5、要的全部營養(yǎng)物質(zhì)，其中生長素和細(xì)胞分裂素用量的比例對器官的生成起決定作用。 (4)光照時期：愈傷組織培養(yǎng)最初避光培養(yǎng)，后期見光培養(yǎng)。 (5)培養(yǎng)順序：試管苗培養(yǎng)，要先進行生芽培養(yǎng)，再進行生根培養(yǎng)，試管苗培養(yǎng)要在光照條件下進行。 1．下列發(fā)生了細(xì)胞分化且能體現(xiàn)體細(xì)胞全能性的生物學(xué)過程是(　　) A．玉米種子萌發(fā)長成新植株 B．小鼠骨髓造血干細(xì)胞形成各種血細(xì)胞 C．小麥花粉經(jīng)離體培養(yǎng)發(fā)育成單倍體植株 D．胡蘿卜根韌皮部細(xì)胞經(jīng)組織培養(yǎng)發(fā)育成新植株 【解析】　玉米種子萌發(fā)長成新植株不能體現(xiàn)體細(xì)胞全能性。小鼠骨髓造血干細(xì)胞形成各種血細(xì)胞，并沒有發(fā)育成個體，所以不能體現(xiàn)細(xì)胞全能性。小麥

6、花粉經(jīng)離體培養(yǎng)發(fā)育成單倍體植株體現(xiàn)的是植物生殖細(xì)胞的全能性。 【答案】　D 2．下圖所示胡蘿卜的韌皮部細(xì)胞通過無菌操作，接入試管后，在一定條件下形成試管苗的培育過程，請據(jù)圖回答下列問題。 (1)要促進細(xì)胞分裂生長，培養(yǎng)基中應(yīng)有營養(yǎng)物質(zhì)和激素。營養(yǎng)物質(zhì)包括________和小分子有機物，激素包括細(xì)胞分裂素和________兩類植物激素。 (2)此過程依據(jù)的原理是__________________。A和B階段主要進行的分裂方式是________，B階段除了細(xì)胞分裂外，還進行細(xì)胞________等。 (3)此過程要無菌操作，主要是指對____________進行滅菌消毒。B階段需要光

7、照，原因是______________________________________________________ _______________________________________________________________。 (4)試管苗的根細(xì)胞沒有葉綠素，而葉的葉肉細(xì)胞具有葉綠素，這是基因________的結(jié)果。 【解析】　此題綜合考查了植物組織培養(yǎng)過程，所需條件等方面的知識。植物組織培養(yǎng)是用離體的植物組織、器官或細(xì)胞接種到經(jīng)消毒滅菌的培養(yǎng)基中，培養(yǎng)基含有供組織細(xì)胞生長發(fā)育所需要的無機物和小分子有機物，還有供調(diào)節(jié)細(xì)胞脫分化和再分化的細(xì)胞分裂素和生長素。由外植體發(fā)

8、育到試管苗，脫分化階段細(xì)胞進行有絲分裂，再分化階段愈傷組織經(jīng)細(xì)胞有絲分裂和分化形成試管苗，此階段需要光照，原因是葉片中葉綠素的合成需要光照條件。 【答案】　(1)無機物　生長素 (2)植物細(xì)胞的全能性　有絲分裂　分化 (3)培養(yǎng)基　芽發(fā)育成葉，葉片的葉肉細(xì)胞中葉綠素的合成需要光照條件　(4)選擇性表達(dá) 　 物 組 織 培 養(yǎng) 的 應(yīng) 用 1．植物快速繁殖 建立植物的無性繁殖系。 2．培育無病毒植株 植物分生組織的生長點細(xì)胞一般不含病毒，取生長點等無病毒部位培養(yǎng)，可獲得大量無病毒植株。 3．生產(chǎn)植物產(chǎn)品 植物在代謝過程中產(chǎn)生一些有機化合物，如人參皂甙、奎寧等，可用作藥

9、物、殺蟲劑等。 4．制造人工種子 組織培養(yǎng)產(chǎn)生的胚狀體結(jié)構(gòu)，外面包裹提供養(yǎng)分的膠囊，再包上一層具有保護功能的外膜，形成類似于種子的球狀結(jié)構(gòu)，可解決有些優(yōu)良品種育種困難的問題。 探討：人們利用植物的快速繁殖技術(shù)來進行工廠化育苗生產(chǎn)，這是利用了該項技術(shù)的哪些特點？ 提示：快速繁殖技術(shù)的特點：①繁殖速度快；②“高保真”(因為是無性繁殖)；③不受自然生產(chǎn)季節(jié)的限制(因為在具有一定人工設(shè)施的室內(nèi)生產(chǎn))。 探討：常采用莖尖組織培養(yǎng)技術(shù)來去除病毒，為什么？ 提示：在莖尖分生組織中，細(xì)胞繁殖十分迅速，病毒還來不及侵入，因此就成為植物體相對無病毒的特殊區(qū)域。 探討：人工種子之所以神奇，是由

10、于它具有天然種子不可比擬的特點，想一想，它們具有哪些特點？ 提示：①它解決了有些作物品種某些遺傳性狀的改變、繁殖能力差、結(jié)籽困難或發(fā)芽率低等問題。 ②人工種子可以工業(yè)化生產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)的自動化程度。 ③人工胚乳中除含有胚狀體發(fā)育所需的營養(yǎng)物質(zhì)外，還可以添加各種附加成分。 ④用人工種子播種可以節(jié)約糧食。 快速繁殖與作物脫毒、人工種子、單倍體育種 (1)作物脫毒、人工種子、單倍體育種的培育過程均采用快速繁殖的技術(shù)。作物脫毒主要是強調(diào)快速繁殖的取材一定是無毒的(如莖尖、根尖)，這樣才能繁殖出無毒的幼苗。 (2)人工種子采用的也是快速繁殖的技術(shù)，但是只需培育得到胚狀體、不定芽、頂芽和腋

11、芽，包上人工種皮就可形成人工種子。人工種子與快速繁殖得到的幼苗一樣能保持親本的優(yōu)良性狀，另外還不受氣候、季節(jié)和地域的限制。 (3)單倍體育種的優(yōu)點是后代無性狀分離，都是純合子，能夠穩(wěn)定遺傳，明顯縮短育種年限。單倍體育種從本質(zhì)上說屬于無性生殖，但這一點與快速繁殖有所區(qū)別。單倍體育種首先要進行花藥離體培養(yǎng)，采用的還是快速繁殖的技術(shù)，然后用秋水仙素處理，獲得純合子。 1．下列有關(guān)植物細(xì)胞工程應(yīng)用的敘述不正確的是(　　) A．植物快速繁殖具有高效、快速的特點 B．用組織培養(yǎng)技術(shù)繁殖的植物體不產(chǎn)生突變 C．用馬鈴薯、草莓的莖尖培養(yǎng)可獲得脫毒苗 D．利用組織培養(yǎng)獲得的胚狀體可制造人工種子

12、 【解析】　在植物的組織培養(yǎng)過程中會發(fā)生細(xì)胞分裂的過程，而在細(xì)胞分裂過程中有可能會發(fā)生基因突變。 【答案】　B 2.人工種子是人們模仿天然種子的結(jié)構(gòu)制造出來的生命有機體，它能像種子一樣萌發(fā)生長，長成植物。人工種子的核心部件是個被外層物包埋的具有類似于胚功能的胚狀體。將胚狀體包埋在一個能提供營養(yǎng)的膠質(zhì)中，便成了所謂的“人工種子”。 (1)人工種子依據(jù)的原理是_________________________________________， 培育胚狀體利用了___________________________________________技術(shù)。 (2)包埋胚狀體的膠質(zhì)可看作

13、自然種子的哪部分結(jié)構(gòu)？ ________________________________________________________________ _______________________________________________________________。 (3)如果外植體是植物的莖尖，通過①的處理可使細(xì)胞彼此分離，①過程中可加入(　　) A．蛋白酶　　　　　 B．淀粉酶 C．果膠酶 D．胰蛋白酶 (4)②過程表示脫分化過程，其實質(zhì)是_______________________________； ③表示再分化過程，其實質(zhì)是_______________

14、______________________。 (5)由人工種子萌發(fā)成的植株是否一定可育？_________________________。 【解析】　(1)人工種子能發(fā)育成完整植株，說明其細(xì)胞內(nèi)含有個體發(fā)育所需要的全部遺傳物質(zhì)，因此依據(jù)的原理是細(xì)胞的全能性，人工種子是經(jīng)過植物組織培養(yǎng)技術(shù)得到的。 (2)包裹胚狀體的膠質(zhì)有保護胚狀體的作用，同時又可以為胚狀體提供營養(yǎng)物質(zhì)，所以可看成種皮及胚乳或子葉。 (3)使植物細(xì)胞彼此分離可以使用纖維素酶和果膠酶，因為植物細(xì)胞壁的主要成分是纖維素和果膠。 (4)脫分化的實質(zhì)是使細(xì)胞恢復(fù)分裂能力，而再分化的實質(zhì)是基因的選擇性表達(dá)。 (5)人工種子

15、是否可育取決于培育胚狀體所用的材料。 【答案】　(1)植物細(xì)胞的全能性　植物組織培養(yǎng) (2)種皮及提供營養(yǎng)的胚乳或子葉 (3)C　(4)使細(xì)胞恢復(fù)分裂能力　基因的選擇性表達(dá) (5)不一定 1．通過植物組織培養(yǎng)(　　) A．獲得的植株都不會出現(xiàn)變異 B．可以證明高度分化的植物細(xì)胞具有全能性 C．只能將外植體培養(yǎng)形成愈傷組織 D．可以大量繁殖無子番茄 【解析】　植物組織培養(yǎng)的過程：離體的植物器官、組織或細(xì)胞愈傷組織幼根、幼芽―→完整的植物體。在此過程中經(jīng)過細(xì)胞的分裂、分化，在分裂的過程中可能產(chǎn)生變異；通過植物組織培養(yǎng)獲得的個體與母本相同；無子番茄是用生長素類似物處理未受粉

16、的雌蕊(或子房)得到的。 【答案】　B 2．下圖為植物組織培養(yǎng)的基本過程，則制作人工種子及生產(chǎn)治療燙傷、割傷的藥物——紫草素，所選用的材料的編號分別是(　　) ①②③―→④ A．④②　　 B．③② C．③④ D．④③ 【解析】　制作人工種子應(yīng)選用愈傷組織分化后的胚狀體；可利用愈傷組織中的大量紫草細(xì)胞生產(chǎn)紫草素。 【答案】　B 3．美國科學(xué)家將分離得到的成熟的胡蘿卜根韌皮部細(xì)胞進行培養(yǎng)，由單個細(xì)胞發(fā)育成了完整的新植株。過程圖解如下圖，回答與之有關(guān)的問題： (1)科學(xué)家所用的這種生物技術(shù)叫做________。依據(jù)的理論基礎(chǔ)是________。②過程稱為________，③過程

17、稱為________，C經(jīng)____________________形成D。 (2)通過②過程產(chǎn)生的愈傷組織細(xì)胞與根的韌皮部細(xì)胞在染色體數(shù)目上是否相同？________；染色體上所含的遺傳物質(zhì)是否相同？________；細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)是否相同？________。 (3)在培養(yǎng)過程中，除了提供水分、無機鹽、糖類、維生素及氨基酸外，還需要在培養(yǎng)基中加入________。同時，在培養(yǎng)過程中，除必要的溫度、光照和氧氣等外界條件外，成功的另一個關(guān)鍵是操作過程必須保證________。 (4)從育種的角度來看，植物組織培養(yǎng)與有性繁殖相比，優(yōu)勢主要有___________________________

18、______________________________。(列舉兩條) 【解析】　本題考查了植物組織培養(yǎng)的條件、過程及應(yīng)用等方面的知識。愈傷組織的形成是一個脫分化過程，需不斷地從培養(yǎng)基中獲取營養(yǎng)(無機營養(yǎng)和有機營養(yǎng))，并需要有一定比例的生長素和細(xì)胞分裂素來促進細(xì)胞脫分化形成愈傷組織；愈傷組織再分化形成根、芽等器官，進而發(fā)育成幼小植株。整個培養(yǎng)過程中，其遺傳物質(zhì)沒有發(fā)生改變，因而培育成的后代能保持親本的優(yōu)良特性。 【答案】　(1)植物組織培養(yǎng)　植物細(xì)胞具有全能性　脫分化　再分化　細(xì)胞分裂和細(xì)胞分化　(2)相同　相同　不同　(3)植物激素(或植物激素類似物)　無菌　(4)能保持母本的優(yōu)良性

19、狀；培養(yǎng)周期短，繁殖效率高；能培育無病毒植物(列出2條即可) 4．某二倍體植物是雜合子，下圖為其花藥中未成熟花粉在適宜的培養(yǎng)基上培養(yǎng)產(chǎn)生完整植株的過程。據(jù)圖回答下列問題。 (1)圖中①表示的是該花粉培養(yǎng)過程中的________過程，②表示的是________過程，X代表的是__________，③表示的是________過程，④表示的是誘導(dǎo)________過程。 (2)圖中從愈傷組織形成完整植株的途徑有兩條，具體通過哪一條途徑主要取決于培養(yǎng)基成分中________的種類及其濃度配比，最后獲得的來源于未成熟花粉的完整植株都稱為________植株(甲)。未成熟花粉經(jīng)培養(yǎng)能形成完整植株

20、，說明未成熟花粉具有________________。 (3)對植株甲進行________，才能使其結(jié)實產(chǎn)生后代(乙)，否則植株甲只有通過__________的方式才能產(chǎn)生后代(丙)。乙、丙兩種植株中，能產(chǎn)生可育花粉的是________植株，該植株群體中每一植株產(chǎn)生可育花粉的基因組成種類數(shù)為________種，該群體植株產(chǎn)生可育花粉的基因組成種類數(shù)為________種?；ㄋ幣囵B(yǎng)在育種上的特殊意義是______________，從而開辟育種新途徑。 【解析】　(1)分析所給圖示，弄清數(shù)字和字母所代表的含義。①表示脫分化過程；②表示再分化過程。愈傷組織的再分化的方式主要有不定芽方式和胚狀體方式

21、兩種，不定芽方式是在某些條件下，愈傷組織中的分生細(xì)胞發(fā)生分化，形成不同的器官原基，再逐漸形成芽和根；胚狀體方式是由愈傷組織細(xì)胞誘導(dǎo)分化出具有胚芽、胚根、胚軸的胚狀結(jié)構(gòu)，進而長成完整植株。因此X表示胚狀體，③表示生長發(fā)育過程，④則表示繼續(xù)分化形成胚根的過程。 (2)調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中激素的濃度和種類可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的分化方向，如植物細(xì)胞的分化常受細(xì)胞分裂素及生長素比例的調(diào)節(jié)，當(dāng)細(xì)胞分裂素與生長素的濃度比值高時，可誘導(dǎo)芽的形成，反之則有促進生根的趨勢。花粉離體培養(yǎng)長成的個體叫單倍體，說明花粉具有全能性。 (3)育種工作者常用花藥離體培養(yǎng)的方法來獲得單倍體植株，然后經(jīng)過人工誘導(dǎo)使染色體數(shù)目加倍，重新恢復(fù)到

22、正常植株的染色體數(shù)目。這種方法得到的植株，不僅能夠正常生殖，而且每對染色體上的成對基因都是純合的，自交產(chǎn)生的后代不會發(fā)生性狀分離，大大縮短了育種年限。 【答案】　(1)脫分化　再分化　胚狀體　分化(或發(fā)育)　生根　(2)激素　單倍體　細(xì)胞的全能性 (3)染色體加倍　無性繁殖　乙(或經(jīng)過染色體加倍的)　一　多　縮短育種年限 課堂小結(jié)： 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 核心回扣 1.植物細(xì)胞的全能性是指植物體的每一個活細(xì)胞都具有形成完整植物體的遺傳潛能。 2.植物組織培養(yǎng)技術(shù)的核心是誘導(dǎo)離體的植物器官、組織或細(xì)胞脫分化和再分化。 3.外植體是指離體的植物器官、組織或細(xì)胞。 4.影響再分化的環(huán)境因素有：植物激素的種類和比例、培養(yǎng)基的成分和物理性質(zhì)、溫度和光照等。 9