高中生物 新人教版 选择性必修3 植物细胞工程的基本技术 教案

2024年3月28日发(作者：小学课文《春天来了》)

第1课时 植物细胞工程的基本技术

新课标 核心素养

1.科学探究：结合具体实验，与同学交流讨论，

1.简述植物组织培养和植物体细胞杂交技术。 尝试设计植物组织培养技术的流程简图。

2.理解植物组织培养的原理和过程、植物体细

胞杂交的原理。

3.尝试进行菊花的组织培养。

2.社会责任：结合“菊花的组织培养”实验，

了解组织培养技术已取得的进展和尚未解决

的问题，认同科学是一个不断发展的过程，

激发学生探索科学奥秘的兴趣。

知识点(一)植物细胞工程的理论基础

1．细胞工程的含义

项目

原理、方法

操作水平

目的

分类

2．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，即细胞具有全能性。

(2)特点：在生物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都能表现出全能性。

(3)影响全能性表达的原因：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。

(1)细胞工程是通过分子水平上的操作，按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得

细胞产品的一门综合科学技术(×)

(2)在理论上，具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞都具有发育成完整生物体的

潜力(√)

(3)细胞在生物体内没有表现出全能性的原因是在特定的时间和空间条件下，细胞内的

基因会选择性地表达(√)

内容

细胞生物学、分子生物学和发育生物学的原理和方法

细胞器水平、细胞水平或组织水平

有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品

植物细胞工程和动物细胞工程

1．(生命观念)为什么理论上每种植物的活细胞都具有全能性？

提示：正常的植物细胞具有该生物生长、发育和繁殖所需的全套的遗传物质。

2．(生命观念)是否所有的活细胞都具有全能性？试举例说明。

提示：不是。例如，哺乳动物成熟的红细胞无细胞核，不具有全能性。

3．(科学思维)细胞全能性大小与细胞分化程度有什么关系？

提示：一般情况下，细胞分化程度越高，细胞的全能性越低。

4．(科学思维)植物细胞全能性表达的条件有哪些？

提示：①离体；②提供营养物质(有机物、无机物)；③提供激素(生长素、细胞分裂素等)；

④提供其他适宜条件(温度、无菌等)。

1．在植物体内，茎的顶端分生组织的细胞具有细胞周期，但不能表现出全能性，是因

为( )

A．细胞核失去了全能性

B．不同细胞中的基因是不同的

C．细胞中基因的表达有选择性

D．细胞核中的基因发生了不同的变异

解析：选C 茎顶端分生组织的细胞，其细胞核没有失去全能性，A错误；同一个体的

所有体细胞都是由同一个受精卵经有丝分裂形成的，都具有相同的遗传物质，B、D错误；

由于细胞中基因的选择性表达，使得茎顶端分生组织的细胞具有细胞周期，但不能表现出全

能性，C正确。

2．下列有关细胞全能性的叙述，不正确的是( )

A．受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体，因此全能性最高

B．生物体内的体细胞由于细胞分化，全能性不能表达

C．卵细胞与受精卵一样，细胞未分化，全能性最高

D．植物细胞在一定条件下离体培养能表现出全能性

解析：选C 受精卵是未分化的细胞，在自然条件下能形成完整个体，全能性最高，A

正确；生物体内的体细胞由于细胞分化，基因选择性表达程度高，因此全能性不能表达，B

正确；卵细胞属于已分化的细胞，卵细胞的全能性相较于受精卵低，两者全能性不同，C错

误；植物细胞在离体状态及适宜的条件下培养能够形成完整的植株个体，具有全能性，D正

确。

[归纳提升]

1．细胞全能性

(1)实现细胞全能性的标志：①发育成完整个体而不是形成某种组织或者器官。②能够

分化形成各种细胞。

(2)体内细胞未表现全能性的原因：基因在特定的时间和空间条件下选择性表达。

2．细胞全能性大小的比较

(1)植物细胞>动物细胞(通常只能体现细胞核的全能性)。

(2)受精卵>生殖细胞(精子、卵细胞)>体细胞。

(3)体细胞：分化程度低的>分化程度高的；细胞分裂能力强的>细胞分裂能力弱的；幼

嫩的细胞>衰老的细胞。

(4)随着细胞分化程度的不断提高，细胞的全能性逐渐降低。

知识点(二)植物组织培养技术

1．植物组织培养：是指将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基

上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。

2．理论基础：植物细胞的全能性。

3．过程

接种外植体――→愈伤组织――→根、芽等――→植株。

(1)脱分化：已经分化的细胞可以经过脱分化，即失去其特有的结构和功能，转变成未

分化的细胞，进而形成不定形的薄壁组织团块。

(2)再分化：愈伤组织能重新分化成芽、根等器官，该过程称为再分化。

4．菊花的组织培养

(1)灭菌

①用酒精擦拭双手和超净工作台台面。

②将流水充分冲洗后的外植体(幼嫩的茎段)用酒精消毒30 s，然后立即用无菌水清洗

2～3次；再用次氯酸钠溶液处理30 min后，立即用无菌水清洗2～3次。

(2)取材：用解剖刀将消过毒的外植体切成0.5～1 cm长的小段。

(3)接种：在酒精灯火焰旁，将外植体的1/3～1/2插入诱导愈伤组织的培养基中。

(4)培养：①将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于18～22 ℃的培养箱中培

脱分化再分化发育

养。

②将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上。长出芽后，再将其转接到诱导

生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。

(5)移栽：将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中，待其长壮后再移栽入土。

(1)植物激素中生长素和赤霉素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素(×)

(2)实验中除外植体不需要灭菌外，使用的培养基和所有的器械都要灭菌(×)

(3)接种操作必须在酒精灯火焰旁进行，并且每次使用后的器械都要灭菌(√)

(4)移栽前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日(√)

1．(生命观念)观察菊花植物组织培养流程图，探究以下问题：

选用菊花的外植体时，一般选用形成层细胞或组织块，其原因是什么？

提示：形成层细胞由于分裂旺盛，全能性高，容易诱导形成愈伤组织，其他部分如叶、

花全能性低，不易培养成小植株。

2．(科学思维)植物组织培养所用的培养基中，在脱分化和再分化中起关键作用的激素

是什么？

提示：细胞分裂素和生长素。

3．(科学思维)为什么说从繁殖方式上看，植物组织培养的繁殖方式是无性繁殖？

提示：植物组织培养是在细胞有丝分裂和细胞分化的基础上实现的，此过程并没有生殖

细胞的产生，所以是无性繁殖。

1．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、④

B．①、②⑦⑥⑧③⑨、⑤

C．①、⑥②⑨⑧③⑦、⑤

D．①、②⑨⑧⑥⑦③、④

解析：选A 植物组织培养技术依据的原理是植物细胞的全能性，即①；植物组织培养

的过程是将离体的植物器官、组织或细胞经脱分化过程形成愈伤组织，再经再分化过程形成

根、芽，最终发育成完整植物体，即②⑧⑥⑦③⑨；决定植物脱分化和再分化的关键因素是

生长素和细胞分裂素的比例，即④，故A正确。

2．下面是植物组织培养过程示意图，相关说法不正确的是( )

外植体――→愈伤组织――→生芽――→生根――→移栽成活

A．上述植物组织培养的过程依据的生物学原理是植物细胞具有全能性

B．外植体若是菊花某段组织，则在配制③过程固体培养基时，添加的生长素/细胞分

裂素的值应偏高

C．外植体若是月季的花药，则图中的①过程不需要光照

D．外植体若是菊花的根尖组织，因细胞中没有叶绿体，故培养成的新植株叶片无色

解析：选D 植物组织培养的原理是植物细胞具有全能性，A正确；菊花某段组织培养

时，生长素/细胞分裂素的值偏高时，促进根的分化，B正确；①过程是脱分化过程，月季

花药的脱分化过程不需要光照，幼小植株形成后才需要光照，C正确；菊花根尖组织中含有

控制叶绿体形成的基因，在培养过程中，基因的选择性表达会使培养成的新植株叶片呈绿色，

D错误。

[归纳提升]

生长素和细胞分裂素的使用顺序及用量的比例对实验结果的影响

(1)使用顺序不同，结果不同

使用顺序

先使用生长素，后使用细胞分裂素

先使用细胞分裂素，后使用生长素

同时使用

实验结果

有利于细胞分裂，但细胞不分化

细胞既分裂又分化

分化频率提高

①②③④

以上关系可简记为：先“生”，分裂不分化；后“生”，分裂又分化；同“使分化频率高”

(2)用量的比例不同，结果也不同

生长素/细胞分裂素的值

比值高时

比值低时

作用效果

促进根的分化、抑制芽的形成

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

以上关系可简记为：“高根低芽中愈伤”

知识点(三)植物体细胞杂交技术

1．过程

(1)去壁：用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁，获得原生质体。

(2)诱导原生质体融合的方法

①物理法：电融合法、离心法等。

②化学法：聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca

2

—高pH融合法等。

2．概念

植物体细胞杂交是指将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把

杂种细胞培育成新植物体的技术。

3．意义

植物体细胞杂交技术在打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面展

示出独特的优势。

(1)在进行体细胞杂交之前，必须先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，获得原生质体

(√)

(2)原生质体融合时常用的化学法包括聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca

2

－高pH融合法

等(√)

(3)植物体细胞杂交技术的最终目的是得到杂种细胞(×)

1．(生命观念)植物体细胞杂交实现的基础和植物组织培养的基础分别是什么？

＋

＋

提示：细胞膜的流动性。植物细胞的全能性。

2．(科学思维)要想让A和B两个来自不同植物的体细胞融合在一起，遇到的第一个障

碍是什么？如何处理？

提示：都具有细胞壁，阻碍融合。利用纤维素酶和果胶酶处理去掉A、B的细胞壁(酶

解法)。

3．(生命观念)将两个不同种的植物细胞A和B去除细胞壁后，经一定的方法促融，若

只考虑两两融合，可以形成几种融合细胞？符合要求的杂种细胞是哪种？

提示：3种(AA、BB、AB)。AB。

4．(科学思维)细胞融合完成的标志和植物体细胞杂交完成的标志分别是什么？

提示：杂种细胞再生出细胞壁。培育出杂种植株。

5．(生命观念)二倍体番茄和二倍体马铃薯细胞杂交得到的“番茄—马铃薯”有多少个

染色体组，是几倍体？

提示：四。四。

6．(生命观念)植物体细胞杂交产生新个体属于哪种生殖方式？

提示：无性生殖。

7．(科学思维)从结果上看杂种植株在遗传上有什么特点？从杂种植株的染色体组成上

看属于哪种变异类型？

提示：遗传物质来自两个亲本，具有双亲的遗传性状。染色体数目变异。

8．(科学思维)从新品种培育的角度分析，植物体细胞杂交技术最大的优点是什么？

提示：打破生殖隔离，使不同种植物杂交成为可能。

1．甲、乙是染色体数目相同的两种二倍体药用植物，甲含有效成分A，乙含有效成分

B。某研究小组拟培育同时含有A和B的新型药用植物。下列叙述错误的是( )

A．为了培育该新型药用植物，取甲和乙的叶片，先用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁

B．用化学诱导剂PEG或高Ca

2

—高pH诱导二者融合

C．形成的融合细胞进一步培养形成愈伤组织，之后形成整个植株，这一过程中进行了

植物组织培养

D．上述杂种植株属于二倍体

解析：选D 植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，根据酶的专一性原理，利用纤维

素酶和果胶酶可以除去植物细胞壁，获得具有活力的原生质体，A正确；诱导原生质体融合

＋

可用化学诱导剂PEG或高Ca

2

＋

—高pH等，B正确；形成的融合细胞经植物组织培养，脱

分化形成愈伤组织，之后形成植株，C正确；甲、乙都是二倍体，体细胞杂交得到的是四倍

体，D错误。

2．下图为番茄(2N＝24)和马铃薯(4N＝48)体细胞杂交示意图，①～⑤表示过程，A～F

表示结构。下列相关说法正确的是( )

A．A和B均为原生质层，②过程可采用电融合法、离心法诱导二者融合

B．③为再生细胞壁，C的形成是原生质体诱导融合成功的标志

C．④过程通常需要避光培养，E需培养在密闭无氧的容器中

D．图中杂种植株理论上为可育的六倍体，每个染色体组中染色体数相同

解析：选D ①过程表示用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁，因此得到的A和B均

为原生质体，②过程为诱导原生质体融合，可采用电融合法等物理方法诱导二者融合，A错

误；③为再生细胞壁，D为杂种细胞，融合的原生质体再生出细胞壁标志着诱导融合成功，

B错误；④过程为脱分化，通常需要避光培养，E为愈伤组织，需培养在无菌的容器中，而

不是无氧的容器中，C错误；番茄(2N＝24)为二倍体，每个染色体组含有12条染色体，马

铃薯(4N＝48)为四倍体，每个染色体组也含有12条染色体，因此经细胞融合后形成的杂种

植株理论上为可育的六倍体(2N＋4N＝72)，每个染色体组中染色体数相同，均为12条，D

正确。

[归纳提升]

植物组织培养与植物体细胞杂交的比较

项目

原理

植物组织培养

植物细胞的全能性

植物体细胞杂交

细胞膜的流动性和植物细胞的全能性

离体的植物器官、组织或细胞

过程

①取材：选取根尖、茎尖、形成层

等容易诱导形成愈伤组织的部位；

②光照：在愈伤组织的诱导阶段往

注意事项

往要避光培养(有利于细胞的脱分

化产生愈伤组织)。当愈伤组织分

化出芽和叶时，一定要有光照(有

利于叶片内叶绿素的合成)

[学习小结]

酶是纤维素酶和果胶酶)；②人工诱导

原生质体融合的方法：a.物理法——离

心法、电融合法；b.化学法——聚乙

二醇融合法或高Ca

2

—高pH融合法

＋

①去除细胞壁的方法：酶解法(所用的

1．下列发生了细胞分化且能体现体细胞全能性的生物学过程是( )

A．蜥蜴断尾后再生出新的尾部

B．胡萝卜根韧皮部细胞经组织培养发育成新植株

C．小鼠骨髓造血干细胞形成各种血细胞

D．小麦花粉经离体培养发育成单倍体植株

解析：选B 蜥蜴断尾后再生出新尾部的过程中发生了细胞分化，但没有体现细胞的全

能性，A错误；胡萝卜根韧皮部细胞经组织培养发育成新植株的过程中发生了细胞分化，也

体现了体细胞的全能性，B正确；小鼠骨髓造血干细胞形成各种血细胞是细胞分化的过程，

但该过程没有体现细胞的全能性，C错误；小麦花粉是生殖细胞，不是体细胞，D错误。

2．下列关于植物组织培养过程中细胞脱分化的叙述，错误的是( )

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具有分生能力的薄壁细胞，进而形成植物的愈伤组织的过程

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．离体的植物组织在脱分化形成愈伤组织的过程中必须经过有关激素的诱导

解析：选C 脱分化是指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

(愈伤组织)的过程。

3．植物体细胞杂交的第一阶段是利用不同物种的两个细胞融合成一个杂种细胞。该阶

段是指( )

A．不同植物的精子与卵子的融合

B．不同植物原生质体的融合

C．完整的两个体细胞的融合

D．植物花粉细胞的两两融合

解析：选B 植物细胞具有细胞壁，细胞壁没有活性，不属于原生质体，完整的植物细

胞不能直接融合，用纤维素酶和果胶酶将细胞壁分解后形成的原生质体可以实现膜融合。植

物体细胞杂交利用的是不同种植物体细胞的原生质体的融合。

4．为探究矮牵牛原生质体的培养条件和植株的再生能力，某研究小组的实验过程如下

图所示。下列叙述正确的是( )

A．过程①获得的原生质体需悬浮在30%蔗糖溶液中

B．过程②需提高生长素的比例以促进芽的分化

C．过程③需用秋水仙素处理，以诱导细胞壁再生

D．原生质体虽无细胞壁但仍保持细胞的全能性

解析：选D 过程①是制备原生质体，获得的原生质体若悬浮在30%的蔗糖溶液中会

失水皱缩，A项错误。过程②是植物组织培养的再分化过程，需提高细胞分裂素的比例以促

进芽的分化，B项错误。秋水仙素的作用是抑制纺锤体的形成，且脱分化形成的愈伤组织细

胞已经具备细胞壁，故过程③不需要用秋水仙素处理，C项错误。原生质体虽无细胞壁，但

含有细胞核，细胞核中含有个体发育所需的全部遗传信息，故原生质体仍保持细胞的全能性，

D项正确。

5．(多选)下图是“白菜—甘蓝”杂种植株的培育过程。下列说法正确的是( )

A．植物体细胞杂交技术体现了植物细胞膜的功能特点

B．愈伤组织的代谢类型是异养需氧型

C．上述培育过程中包含有丝分裂、细胞分化和减数分裂等过程

D．“白菜—甘蓝”杂种植株产生的变异属于染色体变异

解析：选BD 植物体细胞杂交技术体现了植物细胞膜的结构特点，即细胞膜具有一定

的流动性，A错误；愈伤组织不含叶绿体，不能进行光合作用制造有机物，因此其代谢类型

是异养需氧型，B正确；题述过程中包含有丝分裂、细胞分化，没有减数分裂，C错误；“白

菜—甘蓝”杂种植株产生的变异属于染色体数目变异，D正确。

6．如图甲为植物组织培养流程图，图乙为植物组织培养过程的部分示意图，请回答下

列问题：

(1)从理论上讲，植物细胞有形成再生植株的可能性，这是________________的表现。

(2)图甲a代表________过程。图甲中的②和图乙A中培养基上的培养物都是由无特定

形态与功能的薄壁组织团块组成的，称为________。

(3)图乙D中培养物已经形成幼体。请根据植物组织培养过程对图乙重新排序：

________________。(用字母和箭头表示)

(4)图乙中B中为胡萝卜根尖细胞，则培养成的新植株的叶片的颜色是________，这说

明根尖细胞________________________________________________。

(5)某高二生物兴趣小组用芦荟的新鲜茎的一部分作为材料进行组织培养，愈伤组织能

正常形成且以后继续长大，正常的根和芽却迟迟不能形成；你认为导致该情况出现的最可

能的原因是________。

A．葡萄糖、氨基酸等有机营养供应不足

B．培养环境中光照、温度、pH或氧气浓度不适宜

C．生长素和细胞分裂素比例不协调

D．无菌条件没有控制好

解析：(1)植物细胞有形成再生植株的可能性，这是植物细胞全能性的表现。

(2)离体的植物器官或组织先脱分化形成愈伤组织，愈伤组织继续进行培养，再分化成

芽、根等器官，因此图甲a代表脱分化过程。图甲b为再分化，图甲中的②和图乙A中培

养基上的培养物都是由无特定形态与功能的薄壁组织团块组成的，称为愈伤组织。

(3)A中是愈伤组织，B是消毒后的外植体，C是再分化形成的根、芽等器官，D是植物

幼体，植物组织培养过程是外植体(脱分化)→愈伤组织(再分化)→根、芽等→完整植物体，

即B→A→C→D。

(4)图乙中B中为胡萝卜根尖细胞，根尖细胞含有该植物的一整套遗传物质，故含有控

制叶片绿色性状的基因，因此培养成的新植株的叶片的颜色是绿色的。

(5)若葡萄糖、氨基酸等有机营养供应不足，愈伤组织不能正常生长，A错误；培养环

境中光照、温度、pH或氧气浓度不适宜，愈伤组织不能正常生长，B错误；用芦荟新鲜茎

的一部分作为材料进行组织培养，能脱分化形成愈伤组织，但不能再分化形成正常的根和芽，

说明再分化过程出现问题，而决定植物脱分化和再分化的关键因素是植物激素(生长素和细

胞分裂素)的种类和比例，因此，导致正常的根和芽迟迟不能形成的原因是生长素和细胞分

裂素比例不协调，C正确；若无菌条件没有控制好，则不能正常形成愈伤组织，D错误。故

选C。

答案：(1)植物细胞全能性 (2)脱分化 愈伤组织 (3)B→A→C→D (4)绿色 含有控

制叶片绿色性状的基因 (5)C