高中生物 新人教版 選擇性必修3 植物細胞工程的基本技術 教案

2024年3月28日發(作者：小學課文《春天來了》)

第1課時 植物細胞工程的基本技術

新課標 核心素養

1.科學探究：結合具體實驗，與同學交流討論，

1.簡述植物組織培養和植物體細胞雜交技術。 嘗試設計植物組織培養技術的流程簡圖。

2.理解植物組織培養的原理和過程、植物體細

胞雜交的原理。

3.嘗試進行菊花的組織培養。

2.社會責任：結合“菊花的組織培養”實驗，

了解組織培養技術已取得的進展和尚未解決

的問題，認同科學是一個不斷發展的過程，

激發學生探索科學奧秘的興趣。

知識點(一)植物細胞工程的理論基礎

1．細胞工程的含義

項目

原理、方法

操作水平

目的

分類

2．細胞的全能性

(1)概念：細胞經分裂和分化后，仍然具有產生完整生物體或分化成其他各種細胞的潛

能，即細胞具有全能性。

(2)特點：在生物的生長發育過程中，并不是所有的細胞都能表現出全能性。

(3)影響全能性表達的原因：在特定的時間和空間條件下，細胞中的基因會選擇性地表

達。

(1)細胞工程是通過分子水平上的操作，按照人的意愿來改變細胞內的遺傳物質或獲得

細胞產品的一門綜合科學技術(×)

(2)在理論上，具有某種生物全部遺傳信息的任何一個細胞都具有發育成完整生物體的

潛力(√)

(3)細胞在生物體內沒有表現出全能性的原因是在特定的時間和空間條件下，細胞內的

基因會選擇性地表達(√)

內容

細胞生物學、分子生物學和發育生物學的原理和方法

細胞器水平、細胞水平或組織水平

有目的地獲得特定的細胞、組織、器官、個體或其產品

植物細胞工程和動物細胞工程

1．(生命觀念)為什么理論上每種植物的活細胞都具有全能性？

提示：正常的植物細胞具有該生物生長、發育和繁殖所需的全套的遺傳物質。

2．(生命觀念)是否所有的活細胞都具有全能性？試舉例說明。

提示：不是。例如，哺乳動物成熟的紅細胞無細胞核，不具有全能性。

3．(科學思維)細胞全能性大小與細胞分化程度有什么關系？

提示：一般情況下，細胞分化程度越高，細胞的全能性越低。

4．(科學思維)植物細胞全能性表達的條件有哪些？

提示：①離體；②提供營養物質(有機物、無機物)；③提供激素(生長素、細胞分裂素等)；

④提供其他適宜條件(溫度、無菌等)。

1．在植物體內，莖的頂端分生組織的細胞具有細胞周期，但不能表現出全能性，是因

為( )

A．細胞核失去了全能性

B．不同細胞中的基因是不同的

C．細胞中基因的表達有選擇性

D．細胞核中的基因發生了不同的變異

解析：選C 莖頂端分生組織的細胞，其細胞核沒有失去全能性，A錯誤；同一個體的

所有體細胞都是由同一個受精卵經有絲分裂形成的，都具有相同的遺傳物質，B、D錯誤；

由于細胞中基因的選擇性表達，使得莖頂端分生組織的細胞具有細胞周期，但不能表現出全

能性，C正確。

2．下列有關細胞全能性的敘述，不正確的是( )

A．受精卵在自然條件下能使后代細胞形成完整個體，因此全能性最高

B．生物體內的體細胞由于細胞分化，全能性不能表達

C．卵細胞與受精卵一樣，細胞未分化，全能性最高

D．植物細胞在一定條件下離體培養能表現出全能性

解析：選C 受精卵是未分化的細胞，在自然條件下能形成完整個體，全能性最高，A

正確；生物體內的體細胞由于細胞分化，基因選擇性表達程度高，因此全能性不能表達，B

正確；卵細胞屬于已分化的細胞，卵細胞的全能性相較于受精卵低，兩者全能性不同，C錯

誤；植物細胞在離體狀態及適宜的條件下培養能夠形成完整的植株個體，具有全能性，D正

確。

[歸納提升]

1．細胞全能性

(1)實現細胞全能性的標志：①發育成完整個體而不是形成某種組織或者器官。②能夠

分化形成各種細胞。

(2)體內細胞未表現全能性的原因：基因在特定的時間和空間條件下選擇性表達。

2．細胞全能性大小的比較

(1)植物細胞>動物細胞(通常只能體現細胞核的全能性)。

(2)受精卵>生殖細胞(精子、卵細胞)>體細胞。

(3)體細胞：分化程度低的>分化程度高的；細胞分裂能力強的>細胞分裂能力弱的；幼

嫩的細胞>衰老的細胞。

(4)隨著細胞分化程度的不斷提高，細胞的全能性逐漸降低。

知識點(二)植物組織培養技術

1．植物組織培養：是指將離體的植物器官、組織或細胞等，培養在人工配制的培養基

上，給予適宜的培養條件，誘導其形成完整植株的技術。

2．理論基礎：植物細胞的全能性。

3．過程

接種外植體――→愈傷組織――→根、芽等――→植株。

(1)脫分化：已經分化的細胞可以經過脫分化，即失去其特有的結構和功能，轉變成未

分化的細胞，進而形成不定形的薄壁組織團塊。

(2)再分化：愈傷組織能重新分化成芽、根等器官，該過程稱為再分化。

4．菊花的組織培養

(1)滅菌

①用酒精擦拭雙手和超凈工作臺臺面。

②將流水充分沖洗后的外植體(幼嫩的莖段)用酒精消毒30 s，然后立即用無菌水清洗

2～3次；再用次氯酸鈉溶液處理30 min后，立即用無菌水清洗2～3次。

(2)取材：用解剖刀將消過毒的外植體切成0.5～1 cm長的小段。

(3)接種：在酒精燈火焰旁，將外植體的1/3～1/2插入誘導愈傷組織的培養基中。

(4)培養：①將接種了外植體的錐形瓶或植物組織培養瓶置于18～22 ℃的培養箱中培

脫分化再分化發育

養。

②將生長良好的愈傷組織轉接到誘導生芽的培養基上。長出芽后，再將其轉接到誘導

生根的培養基上，進一步誘導形成試管苗。

(5)移栽：將幼苗移植到消過毒的蛭石或珍珠巖等環境中，待其長壯后再移栽入土。

(1)植物激素中生長素和赤霉素是啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵激素(×)

(2)實驗中除外植體不需要滅菌外，使用的培養基和所有的器械都要滅菌(×)

(3)接種操作必須在酒精燈火焰旁進行，并且每次使用后的器械都要滅菌(√)

(4)移栽前先打開封口膜或瓶蓋，讓試管苗在培養箱內生長幾日(√)

1．(生命觀念)觀察菊花植物組織培養流程圖，探究以下問題：

選用菊花的外植體時，一般選用形成層細胞或組織塊，其原因是什么？

提示：形成層細胞由于分裂旺盛，全能性高，容易誘導形成愈傷組織，其他部分如葉、

花全能性低，不易培養成小植株。

2．(科學思維)植物組織培養所用的培養基中，在脫分化和再分化中起關鍵作用的激素

是什么？

提示：細胞分裂素和生長素。

3．(科學思維)為什么說從繁殖方式上看，植物組織培養的繁殖方式是無性繁殖？

提示：植物組織培養是在細胞有絲分裂和細胞分化的基礎上實現的，此過程并沒有生殖

細胞的產生，所以是無性繁殖。

1．植物組織培養依據的原理、培養過程的順序及誘導的植物激素分別是( )

①細胞全能性 ②離體植物器官、組織或細胞

③根、芽 ④生長素和細胞分裂素 ⑤生長素和乙烯

⑥愈傷組織 ⑦再分化 ⑧脫分化 ⑨植物體

A．①、②⑧⑥⑦③⑨、④

B．①、②⑦⑥⑧③⑨、⑤

C．①、⑥②⑨⑧③⑦、⑤

D．①、②⑨⑧⑥⑦③、④

解析：選A 植物組織培養技術依據的原理是植物細胞的全能性，即①；植物組織培養

的過程是將離體的植物器官、組織或細胞經脫分化過程形成愈傷組織，再經再分化過程形成

根、芽，最終發育成完整植物體，即②⑧⑥⑦③⑨；決定植物脫分化和再分化的關鍵因素是

生長素和細胞分裂素的比例，即④，故A正確。

2．下面是植物組織培養過程示意圖，相關說法不正確的是( )

外植體――→愈傷組織――→生芽――→生根――→移栽成活

A．上述植物組織培養的過程依據的生物學原理是植物細胞具有全能性

B．外植體若是菊花某段組織，則在配制③過程固體培養基時，添加的生長素/細胞分

裂素的值應偏高

C．外植體若是月季的花藥，則圖中的①過程不需要光照

D．外植體若是菊花的根尖組織，因細胞中沒有葉綠體，故培養成的新植株葉片無色

解析：選D 植物組織培養的原理是植物細胞具有全能性，A正確；菊花某段組織培養

時，生長素/細胞分裂素的值偏高時，促進根的分化，B正確；①過程是脫分化過程，月季

花藥的脫分化過程不需要光照，幼小植株形成后才需要光照，C正確；菊花根尖組織中含有

控制葉綠體形成的基因，在培養過程中，基因的選擇性表達會使培養成的新植株葉片呈綠色，

D錯誤。

[歸納提升]

生長素和細胞分裂素的使用順序及用量的比例對實驗結果的影響

(1)使用順序不同，結果不同

使用順序

先使用生長素，后使用細胞分裂素

先使用細胞分裂素，后使用生長素

同時使用

實驗結果

有利于細胞分裂，但細胞不分化

細胞既分裂又分化

分化頻率提高

①②③④

以上關系可簡記為：先“生”，分裂不分化；后“生”，分裂又分化；同“使分化頻率高”

(2)用量的比例不同，結果也不同

生長素/細胞分裂素的值

比值高時

比值低時

作用效果

促進根的分化、抑制芽的形成

促進芽的分化、抑制根的形成

比值適中 促進愈傷組織的形成

以上關系可簡記為：“高根低芽中愈傷”

知識點(三)植物體細胞雜交技術

1．過程

(1)去壁：用纖維素酶和果膠酶去除植物細胞壁，獲得原生質體。

(2)誘導原生質體融合的方法

①物理法：電融合法、離心法等。

②化學法：聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca

2

—高pH融合法等。

2．概念

植物體細胞雜交是指將不同來源的植物體細胞，在一定條件下融合成雜種細胞，并把

雜種細胞培育成新植物體的技術。

3．意義

植物體細胞雜交技術在打破生殖隔離，實現遠緣雜交育種，培育植物新品種等方面展

示出獨特的優勢。

(1)在進行體細胞雜交之前，必須先利用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁，獲得原生質體

(√)

(2)原生質體融合時常用的化學法包括聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca

2

－高pH融合法

等(√)

(3)植物體細胞雜交技術的最終目的是得到雜種細胞(×)

1．(生命觀念)植物體細胞雜交實現的基礎和植物組織培養的基礎分別是什么？

＋

＋

提示：細胞膜的流動性。植物細胞的全能性。

2．(科學思維)要想讓A和B兩個來自不同植物的體細胞融合在一起，遇到的第一個障

礙是什么？如何處理？

提示：都具有細胞壁，阻礙融合。利用纖維素酶和果膠酶處理去掉A、B的細胞壁(酶

解法)。

3．(生命觀念)將兩個不同種的植物細胞A和B去除細胞壁后，經一定的方法促融，若

只考慮兩兩融合，可以形成幾種融合細胞？符合要求的雜種細胞是哪種？

提示：3種(AA、BB、AB)。AB。

4．(科學思維)細胞融合完成的標志和植物體細胞雜交完成的標志分別是什么？

提示：雜種細胞再生出細胞壁。培育出雜種植株。

5．(生命觀念)二倍體番茄和二倍體馬鈴薯細胞雜交得到的“番茄—馬鈴薯”有多少個

染色體組，是幾倍體？

提示：四。四。

6．(生命觀念)植物體細胞雜交產生新個體屬于哪種生殖方式？

提示：無性生殖。

7．(科學思維)從結果上看雜種植株在遺傳上有什么特點？從雜種植株的染色體組成上

看屬于哪種變異類型？

提示：遺傳物質來自兩個親本，具有雙親的遺傳性狀。染色體數目變異。

8．(科學思維)從新品種培育的角度分析，植物體細胞雜交技術最大的優點是什么？

提示：打破生殖隔離，使不同種植物雜交成為可能。

1．甲、乙是染色體數目相同的兩種二倍體藥用植物，甲含有效成分A，乙含有效成分

B。某研究小組擬培育同時含有A和B的新型藥用植物。下列敘述錯誤的是( )

A．為了培育該新型藥用植物，取甲和乙的葉片，先用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁

B．用化學誘導劑PEG或高Ca

2

—高pH誘導二者融合

C．形成的融合細胞進一步培養形成愈傷組織，之后形成整個植株，這一過程中進行了

植物組織培養

D．上述雜種植株屬于二倍體

解析：選D 植物細胞壁的主要成分是纖維素和果膠，根據酶的專一性原理，利用纖維

素酶和果膠酶可以除去植物細胞壁，獲得具有活力的原生質體，A正確；誘導原生質體融合

＋

可用化學誘導劑PEG或高Ca

2

＋

—高pH等，B正確；形成的融合細胞經植物組織培養，脫

分化形成愈傷組織，之后形成植株，C正確；甲、乙都是二倍體，體細胞雜交得到的是四倍

體，D錯誤。

2．下圖為番茄(2N＝24)和馬鈴薯(4N＝48)體細胞雜交示意圖，①～⑤表示過程，A～F

表示結構。下列相關說法正確的是( )

A．A和B均為原生質層，②過程可采用電融合法、離心法誘導二者融合

B．③為再生細胞壁，C的形成是原生質體誘導融合成功的標志

C．④過程通常需要避光培養，E需培養在密閉無氧的容器中

D．圖中雜種植株理論上為可育的六倍體，每個染色體組中染色體數相同

解析：選D ①過程表示用纖維素酶和果膠酶去除植物細胞壁，因此得到的A和B均

為原生質體，②過程為誘導原生質體融合，可采用電融合法等物理方法誘導二者融合，A錯

誤；③為再生細胞壁，D為雜種細胞，融合的原生質體再生出細胞壁標志著誘導融合成功，

B錯誤；④過程為脫分化，通常需要避光培養，E為愈傷組織，需培養在無菌的容器中，而

不是無氧的容器中，C錯誤；番茄(2N＝24)為二倍體，每個染色體組含有12條染色體，馬

鈴薯(4N＝48)為四倍體，每個染色體組也含有12條染色體，因此經細胞融合后形成的雜種

植株理論上為可育的六倍體(2N＋4N＝72)，每個染色體組中染色體數相同，均為12條，D

正確。

[歸納提升]

植物組織培養與植物體細胞雜交的比較

項目

原理

植物組織培養

植物細胞的全能性

植物體細胞雜交

細胞膜的流動性和植物細胞的全能性

離體的植物器官、組織或細胞

過程

①取材：選取根尖、莖尖、形成層

等容易誘導形成愈傷組織的部位；

②光照：在愈傷組織的誘導階段往

注意事項

往要避光培養(有利于細胞的脫分

化產生愈傷組織)。當愈傷組織分

化出芽和葉時，一定要有光照(有

利于葉片內葉綠素的合成)

[學習小結]

酶是纖維素酶和果膠酶)；②人工誘導

原生質體融合的方法：a.物理法——離

心法、電融合法；b.化學法——聚乙

二醇融合法或高Ca

2

—高pH融合法

＋

①去除細胞壁的方法：酶解法(所用的

1．下列發生了細胞分化且能體現體細胞全能性的生物學過程是( )

A．蜥蜴斷尾后再生出新的尾部

B．胡蘿卜根韌皮部細胞經組織培養發育成新植株

C．小鼠骨髓造血干細胞形成各種血細胞

D．小麥花粉經離體培養發育成單倍體植株

解析：選B 蜥蜴斷尾后再生出新尾部的過程中發生了細胞分化，但沒有體現細胞的全

能性，A錯誤；胡蘿卜根韌皮部細胞經組織培養發育成新植株的過程中發生了細胞分化，也

體現了體細胞的全能性，B正確；小鼠骨髓造血干細胞形成各種血細胞是細胞分化的過程，

但該過程沒有體現細胞的全能性，C錯誤；小麥花粉是生殖細胞，不是體細胞，D錯誤。

2．下列關于植物組織培養過程中細胞脫分化的敘述，錯誤的是( )

A．已經分化的細胞失去特有的結構和功能而轉變成未分化的細胞的過程

B．已經分化的細胞轉變成具有分生能力的薄壁細胞，進而形成植物的愈傷組織的過程

C．離體的植物組織在一定的培養條件下分化出根和芽的過程

D．離體的植物組織在脫分化形成愈傷組織的過程中必須經過有關激素的誘導

解析：選C 脫分化是指已經分化的細胞失去特有的結構和功能而轉變成未分化的細胞

(愈傷組織)的過程。

3．植物體細胞雜交的第一階段是利用不同物種的兩個細胞融合成一個雜種細胞。該階

段是指( )

A．不同植物的精子與卵子的融合

B．不同植物原生質體的融合

C．完整的兩個體細胞的融合

D．植物花粉細胞的兩兩融合

解析：選B 植物細胞具有細胞壁，細胞壁沒有活性，不屬于原生質體，完整的植物細

胞不能直接融合，用纖維素酶和果膠酶將細胞壁分解后形成的原生質體可以實現膜融合。植

物體細胞雜交利用的是不同種植物體細胞的原生質體的融合。

4．為探究矮牽牛原生質體的培養條件和植株的再生能力，某研究小組的實驗過程如下

圖所示。下列敘述正確的是( )

A．過程①獲得的原生質體需懸浮在30%蔗糖溶液中

B．過程②需提高生長素的比例以促進芽的分化

C．過程③需用秋水仙素處理，以誘導細胞壁再生

D．原生質體雖無細胞壁但仍保持細胞的全能性

解析：選D 過程①是制備原生質體，獲得的原生質體若懸浮在30%的蔗糖溶液中會

失水皺縮，A項錯誤。過程②是植物組織培養的再分化過程，需提高細胞分裂素的比例以促

進芽的分化，B項錯誤。秋水仙素的作用是抑制紡錘體的形成，且脫分化形成的愈傷組織細

胞已經具備細胞壁，故過程③不需要用秋水仙素處理，C項錯誤。原生質體雖無細胞壁，但

含有細胞核，細胞核中含有個體發育所需的全部遺傳信息，故原生質體仍保持細胞的全能性，

D項正確。

5．(多選)下圖是“白菜—甘藍”雜種植株的培育過程。下列說法正確的是( )

A．植物體細胞雜交技術體現了植物細胞膜的功能特點

B．愈傷組織的代謝類型是異養需氧型

C．上述培育過程中包含有絲分裂、細胞分化和減數分裂等過程

D．“白菜—甘藍”雜種植株產生的變異屬于染色體變異

解析：選BD 植物體細胞雜交技術體現了植物細胞膜的結構特點，即細胞膜具有一定

的流動性，A錯誤；愈傷組織不含葉綠體，不能進行光合作用制造有機物，因此其代謝類型

是異養需氧型，B正確；題述過程中包含有絲分裂、細胞分化，沒有減數分裂，C錯誤；“白

菜—甘藍”雜種植株產生的變異屬于染色體數目變異，D正確。

6．如圖甲為植物組織培養流程圖，圖乙為植物組織培養過程的部分示意圖，請回答下

列問題：

(1)從理論上講，植物細胞有形成再生植株的可能性，這是________________的表現。

(2)圖甲a代表________過程。圖甲中的②和圖乙A中培養基上的培養物都是由無特定

形態與功能的薄壁組織團塊組成的，稱為________。

(3)圖乙D中培養物已經形成幼體。請根據植物組織培養過程對圖乙重新排序：

________________。(用字母和箭頭表示)

(4)圖乙中B中為胡蘿卜根尖細胞，則培養成的新植株的葉片的顏色是________，這說

明根尖細胞________________________________________________。

(5)某高二生物興趣小組用蘆薈的新鮮莖的一部分作為材料進行組織培養，愈傷組織能

正常形成且以后繼續長大，正常的根和芽卻遲遲不能形成；你認為導致該情況出現的最可

能的原因是________。

A．葡萄糖、氨基酸等有機營養供應不足

B．培養環境中光照、溫度、pH或氧氣濃度不適宜

C．生長素和細胞分裂素比例不協調

D．無菌條件沒有控制好

解析：(1)植物細胞有形成再生植株的可能性，這是植物細胞全能性的表現。

(2)離體的植物器官或組織先脫分化形成愈傷組織，愈傷組織繼續進行培養，再分化成

芽、根等器官，因此圖甲a代表脫分化過程。圖甲b為再分化，圖甲中的②和圖乙A中培

養基上的培養物都是由無特定形態與功能的薄壁組織團塊組成的，稱為愈傷組織。

(3)A中是愈傷組織，B是消毒后的外植體，C是再分化形成的根、芽等器官，D是植物

幼體，植物組織培養過程是外植體(脫分化)→愈傷組織(再分化)→根、芽等→完整植物體，

即B→A→C→D。

(4)圖乙中B中為胡蘿卜根尖細胞，根尖細胞含有該植物的一整套遺傳物質，故含有控

制葉片綠色性狀的基因，因此培養成的新植株的葉片的顏色是綠色的。

(5)若葡萄糖、氨基酸等有機營養供應不足，愈傷組織不能正常生長，A錯誤；培養環

境中光照、溫度、pH或氧氣濃度不適宜，愈傷組織不能正常生長，B錯誤；用蘆薈新鮮莖

的一部分作為材料進行組織培養，能脫分化形成愈傷組織，但不能再分化形成正常的根和芽，

說明再分化過程出現問題，而決定植物脫分化和再分化的關鍵因素是植物激素(生長素和細

胞分裂素)的種類和比例，因此，導致正常的根和芽遲遲不能形成的原因是生長素和細胞分

裂素比例不協調，C正確；若無菌條件沒有控制好，則不能正常形成愈傷組織，D錯誤。故

選C。

答案：(1)植物細胞全能性 (2)脫分化 愈傷組織 (3)B→A→C→D (4)綠色 含有控

制葉片綠色性狀的基因 (5)C