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1、选修3 现代生物科技专题,专题2 细胞工程,基础梳理,基础梳理,1.理论基础（原理）：_。全能性表达的难易程度：受精卵_生殖细胞_干细胞_体细胞；植物细胞_动物细胞。2.植物组织培养技术（1）过程：离体的植物器官、组织或细胞_试管苗植物体。（2）用途：微型繁殖、作物脱毒、制造人工种子、单倍体育种、细胞产物的工厂化生产。,细胞全能性,愈伤组织,（3）地位：是培育_、_培育植物新品种的最后一道工序。3.植物体细胞杂交技术,转基因植物,植物体细胞杂交,（1）过程植物细胞甲 原生质体甲植物细胞乙 原生质体乙 杂种细胞 愈伤组织 杂种植物,（2）诱导融合的方法：物理法包括_、_、_等。化学法一般是用_作
2、为诱导剂。（3）意义：克服了远缘杂交不亲和的障碍。,聚乙二醇（PEG）,离心,振动,电刺激,探究思考：在育种过程中，植物体细胞杂交有哪些优点、缺点？,答案：在育种中，植物体细胞杂交在克服远源杂交不亲和的障碍、培育新品种方面取得了重大突破，它不仅打破了常规有性杂交育种的亲和性障碍，而且为实现“超远缘杂交”提供了可能。如烟草种间，番茄与马铃薯间的原生质体融合成功及杂种植株的育成就是突出的例子。但是还是有些理论和技术问题没有解决，还不能完全按照人们的意愿来设计生物。,归纳整合,一、细胞的全能性1.概念：生物体细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能。2.细胞全能性的基础：生物体的每一个细胞都含有本物种的
3、全套遗传物质，都有发育成完整个体的全套基因。3.细胞全能性实现的条件：离体、提供营养物质、激素及其他适宜条件。4.全能性高低的比较：受精卵(最高)卵细胞(精子)体细胞；植物体细胞动物体细胞；胚胎干细胞其他干细胞体细胞。,二、植物组织培养过程1.外植体培养到愈伤组织，即脱分化过程。首先已分化的细胞在激素作用下，恢复细胞分裂的能力，接着细胞进行有丝分裂形成细胞团。需要在无光条件下进行，因为无光条件下愈伤组织长得更快。2.愈伤组织培养到试管苗或胚状体结构，即再分化过程。愈伤组织细胞经过有丝分裂和分化发育形成具有根、芽组成的试管苗或用于制成人工种子的胚状体。需要在有光条件下进行，否则形成的试管苗中的叶
4、不能合成叶绿素。3.试管苗发育形成完整的植物体：由外植体培育到试管苗是在含有营养物质和激素的试管中完成的。而由试管苗进一步生长发育形成完整的植物体需栽培在土壤中（或无土培养）。,综上所述，植物组织培养的过程简单表达如下：离体的植物器官、组织或细胞 愈伤组织 根、芽 植物体。,脱分化,再分化,营养生长,生殖生长,三阶段比较如下：,4.植物组织培养的培养基(1)定义：含有一定营养成分，供组织培养植物生长的基质。(2)无机营养成分：C、H、O等大量元素及部分微量元素。(3)有机营养成分：含N物质：包括维生素和氨基酸；碳源：蔗糖；2%5%琼脂，起支持作用；植物激素：生长素、细胞分裂素和赤霉素等。(4)
5、pH值：5.06.0。5.生殖类型：若植物组织培养所用的培养材料是体细胞，则属于无性生殖（营养生殖）；若是花粉离体培养，则属于有性生殖。,三、植物体细胞杂交1.植物体细胞杂交植物体细胞杂交是将两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，并且把杂种细胞培育成新的植物体的方法。植物体细胞杂交的过程包括原生质体的制备、原生质体融合的诱导、杂种细胞的筛选和培养以及杂种植株的再生与鉴定等环节。,2.杂种细胞的筛选：两种植物细胞A和B除去细胞壁后的原生质体A和B，在诱导融合过程中，并不是所有的原生质体都会发生融合，且原生质体的融合是随机发生的。因此，诱导融合完成后，在容器内共有A原生质体、B原生质体、A-
6、A原生质体、B-B原生质体、A-B原生质体（杂合原生质体）等5种原生质体，重新生成细胞壁后就有A细胞、B细胞、A-A细胞、B-B细胞和A-B细胞（杂交细胞）等5种原生质体，所以要通过一定的方法把杂种细胞筛选出来。同理，动物细胞融合技术中也要进行杂种细胞的筛选。,3.植物体细胞杂交过程图解如下4.去壁和融合的方法去壁的常用方法：酶解法（纤维素酶、果胶酶等）。原生质体融合方法：物理法(离心、振动、电刺激等)；化学法聚乙二醇（PEG）等。,四、植物组织培养的应用1.快速繁殖。2.培育无病毒植株。3.植物产品的工业化生产。植物细胞在代谢过程中，能产生一些代谢产物，能用作药物、杀虫剂、香料、色素等。4.
7、生产人工种子。5.培育作物的新品种：(1)在单倍体育种中，利用花药离体培养，然后通过染色体加倍，可培育出纯合植物新品种；(2)在植物体细胞杂交技术中，将杂种细胞培养成杂种植株；(3)在基因工程中，将含有目的基因的受体细胞，培养成转基因植物。,五、微型繁殖的繁殖方式与应用1.微型繁殖与无性繁殖微型繁殖就是用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，也叫快速繁殖技术。它实际是一种无性繁殖。繁殖过程的分裂方式是有丝分裂，亲子代细胞内DNA不变，所以能够保证亲子代遗传特性不变。这种技术具有取材少、生殖率高、培养周期短的优点。2.微型繁殖与作物脱毒微型繁殖的条件是培养基中加入细胞生命活动所需的水、无机盐和小
8、分子有机物，还有植物激素，更重要的是所有加入物质必须是无菌的，而操作过程也必须在无菌的条件下进行，这样繁殖的幼苗才是无毒的。作物脱毒就是采用微型繁殖技术对已被病毒感染的植株进行脱毒处理，培养出无病毒植株。注意其取材为植物的分生组织(如根尖、茎尖)，是无毒的。,3.人工种子与微型繁殖人工种子的优点是培育的后代无性状分离，能够稳定遗传；产生的后代能够保持亲本的优良性状；培育的种子不受气候、季节和地域的限制。采用的技术是微型繁殖技术，首先利用植物组织培养获得胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等，然后包上人工种皮就形成了人工种子。如右图所示。,人工种子与天然种子相比，有以下突出的优越性：可使在自然条件下不结实
9、或种子昂贵的植物得以繁殖。固定杂种优势。天然种子是有性繁殖的，往往杂种优势只能体现在第1代，第2代便参差不齐了。而人工种子在本质上属于无性繁殖，一旦获得优良品种，就可以保持杂种优势。快捷高效的繁殖方式。已有研究表明，用1个体积为12 L的发酵罐在二十几天内生产的胡萝卜体细胞胚可制造1000万粒人工种子，可供种植面积达几百平方千米，这样就节约了大量留种地。可人为控制植物的生长发育与抗逆性。人工胚乳除了含有供胚状体发育成植株所必需的营养物质外，还可以在其中加入除草剂、弱病毒、杀菌剂、农药、抑制休眠的物质及对植物生长有益的细菌等，使其具备抗逆性和耐储性等优良特性，也可添加激素类物质以调节植物的生长发
10、育。与试管幼苗技术比较，人工种子成本低、储藏运输方便、减少了移栽驯化过程和育种年限。,4.单倍体育种与微型繁殖单倍体育种的优点是后代无性状分离，能够稳定遗传，即后代都是纯合体；明显缩短育种年限，只需一年就可获得纯种。单倍体育种的方法是花药的离体培养，采用的技术是先用微型繁殖技术获得单倍体，然后用秋水仙素处理，获得纯合体。,跟踪训练,(2009 年全国卷)下列关于体细胞杂交或植物细胞质遗传的叙述，错误的是（）A.利用植物体细胞杂交技术可克服生殖隔离的限制，培育远源杂种B.不同种植物原生质体融合的过程属于植物体细胞杂交过程C.两个不同品种的紫茉莉杂交，正交、反交所得F1的表现型一致D.两个不同品种
11、的紫茉莉杂交，F1的遗传物质来自母本的多于来自父本的,解析：植物体细胞杂交可以用两种不同植物的细胞，从而可克服生殖隔离的限制。植物体细胞杂交的过程，实际是不同植物体细胞的原生质体融合的过程。紫茉莉枝叶的性状的遗传是细胞质遗传，两个不同品种的紫茉莉杂交，正交、反交所得F1的表现型应与母本一致，F1的遗传物质来自母本的多于来自父本的，因为受精卵中的细胞质几乎全部来自母本。故C错误。答案：C,基础梳理,1.动物细胞培养（1）概念：动物细胞培养就是从动物机体中取出相关的_，将它分散成_，然后放在适宜的_中，让这些细胞_。（2）动物细胞培养的流程：取动物组织块（动物胚胎或幼龄动物的器官或组织）剪碎用_处
12、理分散成_制成_转入培养瓶中进行_培养贴满瓶壁的细胞重新用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理分散成单个细胞继续_培养。,组织,单个细胞,培养基,生长和繁殖,胰蛋白酶或胶原蛋白酶,单个细胞,细胞悬液,原代,传代,（3）细胞贴壁和接触抑制：悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上，称为_。细胞数目不断增多，当贴壁细胞分裂生长到表面_时，细胞就会_，这种现象称为细胞的_。（4）动物细胞培养需要满足以下条件无菌、无毒的环境：培养液应进行_处理。通常还要在培养液中添加一定量的_，以防培养过程中的污染。此外，应定期更换培养液，防止代谢产物积累对细胞自身造成危害。营养：合成培养基成分包括糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量
13、元素等。通常需加入_等天然成分。,细胞贴壁,相互抑制,停止分裂增殖,接触抑制,无菌,抗生素,血清、血浆,温度及pH：哺乳动物的适宜温度多是_；pH为_。气体环境：95%_5%_。O2是_所必需的，CO2的主要作用是维持培养液的_。（5）动物细胞培养技术的应用：制备病毒疫苗、_、检测有毒物质、培养医学研究的各种细胞。,CO,36.50.5,7.27.4,空气,制备单克隆抗体,细胞代谢,pH,2.动物体细胞核移植技术和克隆动物（1）哺乳动物核移植可以分为_核移植（比较容易）和_核移植（比较难）。（2）选用去核卵(母)细胞的原因：卵(母)细胞比较_，容易操作；卵(母)细胞细胞质_，营养丰富。,胚胎细
14、胞,体细胞,大,多,（3）体细胞核移植的大致过程,（4）体细胞核移植技术的应用加速家畜遗传改良进程，促进良畜群繁育；保护濒危物种，增大存活数量；生产珍贵的医用蛋白；作为异种移植的供体；用于组织器官的移植等。（5）体细胞核移植技术存在的问题克隆动物存在着健康问题、表现出遗传和生理缺陷等。,3.动物细胞融合（1）动物细胞融合也称_，是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。融合后形成的具有原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞，称为_。（2）动物细胞融合与植物原生质体融合的原理基本相同，诱导动物细胞融合的方法与植物原生质体融合的方法类似，常用的诱导因素有_、_、电刺激等。（3）动物细胞融合的意义
15、：克服了远缘杂交的_，成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和生物新品种培育的重要手段。（4）动物细胞融合与植物体细胞杂交的比较,细胞杂交,杂交细胞,聚乙二醇,灭活的病毒,不亲和性,（4）动物细胞融合与植物体细胞杂交的比较,4.单克隆抗体（1）抗体：一个B淋巴细胞只分泌一种_。从血清中分离出的抗体_。（2）单克隆抗体的制备过程,特异性抗体,产量低、纯度低、特异性差,（3）杂交瘤细胞的特点：既能大量_，又能产生_。（4）单克隆抗体的优点：_，_，并能_。（5）单克隆抗体的作用作为诊断试剂：准确识别各种_物质的细微差异，并跟_发生特异性结合，具有准确、高效、简易、快速的优点。用于治疗疾病和运载药物：主要
16、用于_，可制成“_”，也有少量用于其他疾病治疗。,生物导弹,繁殖,专一的抗体,特异性强,灵敏度高,大量制备,抗原,一定抗原,癌症治疗,归纳整合,细胞工程技术处理动、植物细胞的异同1.实验过程比较,特别提醒：细胞核移植技术中注入去核卵母细胞中的不是供体细胞核，而是整个细胞，伴随着两细胞融合。体现细胞膜的结构特点：具有一定的流动性。受体细胞为减数第二次分裂中期的次级卵母细胞，此时在透明带内包含着第一极体，在去核的同时连同第一极体一并去掉。该技术形成重组细胞发育成一个新个体，体现了细胞核的全能性而非动物细胞的全能性。用卵母细胞做受体细胞原因a.卵母细胞体积大，便于操作；b.卵黄多，营养物质丰富；c.
17、易激发细胞核全能性的表达。,克隆属于无性繁殖，产生新个体的性别、绝大多数性状与供核亲本一致。动物细胞培养基成分特有的动物血清含有蛋白质、氨基酸、葡萄糖、激素等多种成分。两技术手段培养过程中都进行有丝分裂，都是无性繁殖，都可称克隆，都不涉及减数分裂。植物组织培养最终产生新个体，体现全能性；动物细胞培养产生大量细胞，不形成新个体，故不能体现全能性。,2.技术手段的比较,3.植物体细胞杂交与动物细胞融合比较,4.细胞工程技术所涉及的原理,特别提醒：理解一组概念：细胞贴壁、接触抑制、原代培养、传代培养。制成细胞悬液的主要目的：使培养的细胞与培养液充分接触。10代以内细胞保持正常的二倍体核型，无突变发生
18、，常用于实践或冷冻保存。超过50代，极少数细胞突破自然寿命极限，突变成癌细胞，具有无限增殖能力；若超过50代，细胞不再增殖，全部死亡，则说明细胞没有发生癌变。,原代培养和传代培养将动物的器官或组织用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理，分散成单个细胞，然后制成细胞悬液，放入培养瓶内，放在适宜的条件下培养，一般细胞繁殖110代，就发生接触抑制，这种培养叫原代培养。原代培养的细胞由于接触抑制不再分裂，还要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理后，再分瓶培养，让细胞继续增殖，这种培养叫传代培养。传代培养一般传至1050代就不能再分裂了，这时细胞核内遗传物质未发生变化，形成的细胞群叫细胞株。传代培养过程中有个别细胞传至50代
19、以后，由于遗传物质改变，失去接触抑制，可成为无限增殖的癌细胞。,跟踪训练,（2008 年宁夏卷）回答下列有关动物细胞培养的问题：（1）在动物细胞培养过程中，当贴壁细胞分裂生长到细胞表面_时，细胞会停止分裂增殖，这种现象称为细胞的_。此时，瓶壁上形成细胞层数是_。要使贴壁的细胞从瓶壁上分离下来，需要用酶处理，可用的酶是_。（2）随着细胞传代次数的增多，绝大部分细胞分裂停止，进而出现_细胞，但极少数细胞可以连续增殖，其中有些细胞会因遗传物质发生改变而变成_细胞，该种细胞的黏着性_，细胞膜表面蛋白质（糖蛋白）的量_。,（3）现用某种大分子染料，对细胞进行染色时，观察到死细胞被染色，而活细胞不被染色，
20、原因是_。（4）检查某种毒物是否能改变细胞染色体的数目，最好选用细胞分裂到_期的细胞用显微镜进行观察。（5）在细胞培养过程中，通常在_条件下保存细胞，因为在这种条件下，细胞中_的活性降低，细胞的_速率降低。（6）给患者移植经细胞培养形成的皮肤组织后，发生了排斥现象，这是因为机体把移植的皮肤组织当作_进行攻击。,答案：(1)相互接触 接触抑制 单层（或一层）胰蛋白酶(2)衰老甚至死亡 不死性 降低 减少(3)由于活细胞的细胞膜具有选择透过性，大分子染料不能进入活细胞内，故活细胞不能着色（或由于死细胞的膜丧失了选择透过性，大分子染料能够进入死细胞内而着色）(4)中(5)冷冻（或超低温、液氮）酶 新
21、陈代谢(6)抗原,热点聚焦,（2009 年上海卷）回答下列有关植物组织培养的问题。(1)用于植物组织培养的植物材料称为_。(2)组织培养中的细胞，从分化状态转变为未分化状态的过程称为_。(3)在再分化阶段所用培养基中，含有植物激素X和植物激素Y。逐渐改变培养基中这两种植物激素的浓度比，来分化细胞群的变化情况如下图所示。据图指出两种激素的不同浓度比与形成芽、根、愈伤组织的关系：,当植物激素X与植物激素Y的浓度比等于1时，_；_；_。(4)若植物激素Y是生长素，在植物组织培养中其主要作用是_；则植物激素X的名称是_。(5)生产上用试管苗保留植物的优良性状，其原因是_。,本题考查植物组织培养的有关知
22、识。(1)用于植物组织培养的植物材料为外植体。(2)植物组织培养中的细胞由分化状态转化为未分化状态的过程称为去分化(或脱分化)。(3)由图可知两种激素的不同浓度比与形成芽根、愈伤组织之间的关系为：当植物激素X与植物激素Y的浓度比等于1时，未分化细胞群经分裂形成愈伤组织；当植物激素X与植物激素Y的浓度比大于1时，未分化细胞群分化形成芽；当植物激素X与植物激素Y的浓度比小于1时，未分化细胞群分化形成根。组织培养形成试管苗的过程属于无性生殖，后代不发生性状分离。,名师点睛：(1)植物组织培养从繁殖方式上应为无性繁殖，细胞分裂方式为有丝分裂。该过程包含脱分化和再分化两个阶段。(2)愈伤组织是脱分化、高
23、度液泡化的细胞，故细胞内无叶绿体，不能进行光合作用，只能以现成有机物来提供物质和能量；其代谢方式为异养、需氧；有细胞壁，有大液泡，故仍可发生质壁分离；该过程进行有丝分裂，故愈伤组织应是具有细胞周期的细胞；愈伤组织为脱分化后形成的细胞，故应视为无分化的细胞(同受精卵一样，未分化)。(3)获取细胞产品的时期应为脱分化之后再分化之前的愈伤组织；制作人工种子的时期为再分化后形成的胚状体阶段。,热点训练,下列对植物组织培养过程中的脱分化叙述正确的是（）A.植物体的分生组织通过细胞分裂产生新细胞的过程B.体内分化的细胞形态、结构和功能发生改变的过程C.高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程D.愈
24、伤组织分裂产生大量相同细胞的过程,解析：本题主要考查植物组织培养中的脱分化和再分化。脱分化是指一个成熟细胞由已分化转变为未分化状态的过程；而再分化是脱分化后的分生细胞(愈伤组织)在特定的条件下(离体培养)下，重新恢复细胞分化能力，并经历器官发生形成芽、根，或形成胚状体，进一步发育成完整植物体的过程。答案：C,走进实验室,基础再现,单克隆抗体可以作为诊断试剂，准确识别各种抗原物质，与抗原的特异性结合具有准确、高效、简易、快速的特点。单克隆抗体还可以用于治疗疾病和运载药物：主要用于治疗癌症。单克隆抗体作为运载体，运载抗癌药物，形成“生物导弹”，准确杀伤癌变细胞。,实验课题：单克隆抗体的制备,过程设
25、计,制备过程：获得杂交瘤细胞抗原注入小鼠体内获得效应B淋巴细胞效应B淋巴细胞与小鼠骨髓瘤细胞融合特定培养基筛选出杂交瘤细胞(能产生特异抗体)动物细胞培养：培养液中培养或小鼠腹腔中培养提取：从培养液或小鼠腹水中提取单克隆抗体,易错归纳,第一次筛选是在B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合之后，因为有三种融合情况：B淋巴细胞与B淋巴细胞融合、骨髓瘤细胞与骨髓瘤细胞融合、B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合。而只有B淋巴细胞与骨髓瘤细胞的融合细胞才是所需要的杂种细胞。第二次筛选是在杂交瘤细胞中筛选出能产生所需抗体的杂交瘤细胞。因此在制备单克隆抗体时，要进行两次筛选。,精题演习,1.动物细胞融合的目的中最重要的是（）A.克
26、服远源杂交不亲和 B.制备单克隆抗体C.培育新物种 D.生产杂种细胞,解析：考查动物细胞融合的目的。动物细胞融合就是不同动物细胞的原生质融合，形成杂种细胞的过程。动物细胞融合技术最重要的用途是制备单克隆抗体。答案：B,2.（2009 年山东卷）人类在预防与诊疗传染性疾病过程中，经常使用疫苗和抗体。已知某传染性疾病的病原体为RNA病毒，该病毒表面的A蛋白为主要抗原，其疫苗生产和抗体制备的流程之一如下图：,病毒,A基因表达运载体,提取,RNA,DNA,A基因,请回答：（1）过程代表的是_。（2）过程构建A基因表过运载体时，必须使用_和_两种工具酶。（3）过程采用的实验技术是_，获得的X是_。（4）对健康人进行该传染病免疫预防时，可选用图中基因工程生产的_所制备的疫苗。对该传染病疑似患者确诊时，可从疑似患者体内分离病毒，与已知病毒进行_比较；或用图中的_进行特异性结合检测。,答案：（1）逆转录（2）限制性核酸内切酶（限制酶、限制性内切酶）DNA连接酶（3）细胞融合 杂交瘤细胞（4）A蛋白 核酸（基因）序列 抗A蛋白的单克隆抗体,课时作业,祝,您,学业有成,
