關于植物細胞工程的疑難剖析

王守民

在人教版新課標教材生物選修3中，對現(xiàn)代生物科技進行了詳實的介紹，師生對此都十分感興趣，歷年各地高考中有也不斷出現(xiàn).但在教學過程中，有關植物細胞工程的內容，許多師生還存在一些疑問，現(xiàn)舉例予以剖析.

一、未分化的植物細胞具有全能性嗎？

例1 下列植物細胞全能性最高的是（ ）.

A.形成層細胞 B.韌皮部細胞

C.木質部細胞 D.葉肉細胞

解析 全能性是指已分化的細胞仍具有發(fā)育成完整個體的潛能，分裂能力強，分化程度越低，全能性越高，形成層細胞比韌皮部、木質部和葉肉細胞的分裂能力強、分化程度低，所以形成層細胞的全能性>韌皮部細胞、木質部細胞和葉肉細胞全能性，故選擇A項.

例2 有關全能性的敘述，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.生物體內細胞由于分化，全能性不能表達

C.卵細胞與受精卵一樣，細胞未分化，全能性很高

D.植物細胞離體培養(yǎng)在一定條件下能表現(xiàn)出全能性

解析 受精卵發(fā)育成完整個體的能力最強，全能性最高，A正確；體細胞表達全能性的前提是離體，B正確；卵細胞的全能性小于受精卵，C錯誤；離體的植物細胞可以通過植物組織培養(yǎng)表達出全能性，D正確.

答案：C

小結 在必修1教材中指出，細胞的全能性是指已分化的細胞仍具有發(fā)育成完整個體的潛能，所以有人就只強調已經分化的細胞才具有全能性，而未分化的細胞不具有全能性.其實，只要認真分析細胞全能性的概念可知，已分化的細胞仍有全能性，意即未分化的細胞更應該具有全能性，是其中“仍”字的隱含之意.例如植物組織培養(yǎng)形成的愈傷組織細胞或植物的受精卵都是未分化的細胞，比分化部位的細胞更容易培養(yǎng)成完整植株，說明未分化的細胞也有全能性，且比分化細胞的全能性更高.

二、植物組織培養(yǎng)的生殖方式都是無性生殖嗎？

例3 利用植物的莖尖或葉片、莖段、花藥、花粉等，在無菌條件下，培養(yǎng)在玻璃器皿中人工配制的培養(yǎng)基上，使它發(fā)育成完整的植株.這種技術可以用來培育植物新品種，也可以在較短時間內大量繁殖植物，還可防止植物病毒的危害.關于這種技術的敘述，正確的是（ ）.

①這種技術利用了植物細胞的全能性

②這種技術叫做植物組織培養(yǎng)，可以克隆植物體

③這種技術屬于細胞工程的應用領域之一

④這種技術是一種無性繁殖方式

A.① B.①② C.①②③ D.①②③④

解析 植物體細胞都含有該物種全套遺傳信息，所以每個細胞理論上都具有全能性，都有發(fā)育成完整生物體的潛能.植物組織培養(yǎng)是在體外通過人工方法，讓植物細胞表現(xiàn)出全能性，形成完整的植物體，是植物細胞工程的一個基礎技術手段.花藥（花粉）離體培養(yǎng)利用的是花粉中的精子直接發(fā)育為個體，雖沒有精卵細胞結合的受精作用，但利用了完整的生殖細胞——精子，應該屬于有性生殖中的單性（孤雄）生殖，而利用植物的莖尖或葉片、莖段等細胞屬于植物的體細胞，直接發(fā)育為個體，根本沒有涉及生殖細胞，這種生殖方式屬于無性生殖，故選擇C.（錯誤解析：因為沒有生殖細胞的結合，所以屬于無性繁殖方式，故選D.）小結 通過植物組織培養(yǎng)可培育成完整植株，產生子代個體，是生物的生殖過程.若選擇植物體細胞進行培養(yǎng)，因沒有涉及生殖細胞的形成和結合，故屬于無性生殖；若選擇植物生殖細胞進行培養(yǎng)，因有生殖細胞的產生并利用完整的生殖細胞進行繁殖，所以屬于有性生殖.

三、植物組織培養(yǎng)所得植株的基因型與母本相同嗎？

例4 （2008年江蘇20）下列關于植物組織培養(yǎng)的敘述中，錯誤的是（ ）.

A.培養(yǎng)基中添加蔗糖的目的是提供營養(yǎng)和調節(jié)滲透壓

B.培養(yǎng)基中的生長素和細胞分裂素影響愈傷組織的生長和分化

C.離體器官或組織的細胞都必須通過脫分化才能形成愈傷組織

D.同一株綠色開花植物不同部位的細胞經培養(yǎng)獲得的愈傷組織基因相同

解析 植物組織培養(yǎng)中蔗糖可為外植體提供營養(yǎng)，同時調節(jié)滲透壓；在整個組織培養(yǎng)中影響再分化的關鍵是生長素和細胞分裂素的使用比例和順序；植物組織培養(yǎng)的第一個關鍵環(huán)節(jié)是脫分化，從而形成愈傷組織；植物組織培養(yǎng)的對象既可以是體細胞也可以是生殖細胞，因此獲得的愈傷組織基因型不一定相同.

答案：D

小結 在植物組織培養(yǎng)過程中，由于只發(fā)生細胞的有絲分裂和分化，因此沒有遺傳物質的改變，都和選擇培養(yǎng)的外植體相同，但不一定和母本相同.若二倍體母本的基因型為AA，則選擇植物體細胞培養(yǎng)，所得植株仍為二倍體，基因型仍為AA，選擇植物生殖細胞培養(yǎng)，所得植株為單倍體，基因型就是A.

四、植物體細胞融合的原理是什么？例5 圖1是植物體細胞雜交示意圖，請據(jù)此回答：

（1）②過程用到的生物學原理是____.

（2）圖中④過程是____，⑤過程是___，④⑤過程合稱____，融合的細胞能發(fā)育為完整植物體依據(jù)的原理是___.

（3） 圖中①過程用到的酶是___，作用的結果是形成___.要用它們除去___，利用了酶的___.

解析 （1）圖示植物體細胞雜交的②過程是原生質體的融合過程，其利用的生物學原理是細胞膜的流動性；（2）圖中④過程是脫分化過程，使高度分化的細胞恢復分裂能力，⑤過程是再分化過程，通過基因的選擇性表達，從而形成不同種類的細胞，實現(xiàn)細胞功能的專門化，④⑤過程合稱植物組織培養(yǎng)，融合的細胞能發(fā)育為完整植物體依據(jù)的原理是植物細胞具有全能性；（3） 圖中①過程是去壁（原生質體制備）過程，其中用到的酶是纖維素酶和果膠酶，作用的結果是形成有活力的原生質體.要用它們除去細胞壁，利用了酶的專一性.

答案：（1）細胞膜的流動性 （2）脫分化 再分化 植物組織培養(yǎng) 植物細胞具有全能性 （3）纖維素酶和果膠酶 原生質體 細胞壁 專一性

小結 植物體細胞的融合過程包括去壁和融合，去壁需要用纖維素酶和果膠酶進行酶解，利用了酶的專一性原理；融合過程包括細胞膜融合、細胞質融合和細胞核融合，其中細胞膜融合要靠細胞膜的流動性，細胞質融合主要有細胞質流動來完成，細胞核融合需要第一次有絲分裂時核膜的消失與重建來完成.

五、植物體細胞融合和植物體細胞雜交完成的標志是什么？

例6 （2013天津卷9）花椰菜易受黑腐病菌的危害而患黑腐病，野生黑芥具有黑腐病的抗性基因.用一定劑量的紫外線處理黑芥原生質體可使其染色體片段化，并喪失再生能力.再利用此原生質體作為部分遺傳物質的供體與完整的花椰菜原生質體融合，以獲得抗黑腐病雜種植株.流程如圖2.

據(jù)圖回答下列問題：

（1） 過程①所需的酶是___.

（2） 過程②后，在顯微鏡下觀察融合的活細胞中有供體的___存在，這一特征可作為初步篩選雜種細胞的標志.

（3） 原生質體培養(yǎng)液中需要加入適宜濃度的甘露醇以保持一定的滲透壓，其作用是___.原生質體經過____再生，進而分裂和脫分化形成愈傷組織.

（4） 若分析再生植株的染色體變異類型，應剪取再生植株和____植株的根尖，通過___、_____、___染色和制片等過程制成裝片，然后在顯微鏡下觀察比較染色體的形態(tài)和數(shù)目.

（5） 采用特異性引物對花椰菜和黑芥基因組 DNA 進行 PCR 擴增，得到兩親本的差異性條帶，可用于雜種植株的鑒定.圖3是用該引物對雙親及再生植株 1～4 進行 PCR 擴增的結果.據(jù)圖判斷，再生植株 1—4 中一定是雜種植株的有___.

（6）對雜種植株進行接種實驗，可篩選出具有高抗性的雜種植株.

解析 （1）過程①表示原生質體的制備，要用纖維素酶和果膠酶去掉植物細胞的細胞壁；

（2）用于融合的兩個細胞，一個是黑芥苗的葉肉細胞，一個是花椰菜的根部細胞，其中供體細胞特有的結構是葉綠體，可通過觀察葉綠體的有無作為初步篩選雜種細胞的標志；

（3）原生質體沒有細胞壁的保護，需要加入適宜濃度的甘露醇以保證滲透壓的穩(wěn)定，以避免原生質體吸水或失水破壞原生質體的完整性；原生質體通過細胞壁雜聲形成雜種細胞，進而形成愈傷組織；

（4）分析再生植株染色體變異類型，需要將再生植株細胞染色體和黑芥苗與花椰菜細胞中的染色體制片觀察進行比較，制片的基本程序是解離、漂洗、染色、制片；

（5）根據(jù)圖譜，花椰菜含有堿基對為300和600的DNA片段，黑芥還有堿基對為1000、1300和1500的片段，再生植株3，只含有長度為300和600的片段，與花椰菜一致，1、2、4 既含有花椰菜DNA片段，又含有黑芥DNA片段，為雜種植株；

（6）對雜種植株接種黑腐病菌，能正常生長的即為具有高抗性的雜種植株.

答案：（1）纖維素酶和果膠酶

（2）葉綠體

（3）保持原生質體的完整性 細胞壁

（4）雙親（或花椰菜和黑芥） 解離 漂洗

（5）1、2、4

（6）黑腐病菌

小結 植物體細胞融合只是植物體細胞雜交技術中的重要環(huán)節(jié)，其中植物體細胞融合完成的標志是再生出新的細胞壁，形成雜種細胞；植物體細胞雜交完成的標志是形成雜種植株.

六、植物體細胞雜交技術所得個體是幾倍體？

例7 A種植物的細胞和B種植物細胞的結構如圖4所示（僅顯示細胞核），將A、B兩種植物細胞去掉細 胞壁后，誘導二者的原生質體融合，形成單核的雜種細胞，若經過組織培養(yǎng)后得到了雜種植株，則該雜種植株是（ ）.

A.二倍體；基因型是DdYyRr

B.三倍體；基因型是DdYyRr

C.四倍體；基因型是DdYyRr

D.四倍體；基因型是DDddYYyyRRrr

解析 據(jù)圖分析，A物種基因型為Dd，屬于二倍體，B物種的基因型為YyRr，也屬于二倍體，植物細胞融合后形成的雜種細胞含有兩個親本的遺傳物質，基因型為DdYyRr，屬于異源四倍體.

答案：C

小結 植物體細胞雜交就是將不同種的植物體細胞，在一定條件下融合成雜種細胞，并把雜種細胞培育成新的植物體的技術.其中不同種植物體細胞的融合過程，就相當于生物繁殖中的精卵結合過程，得到的雜種細胞就相當于受精卵，由雜種細胞培育成的個體，當然其中含幾個染色體組就是幾倍體，即相當于異源二倍體或異源多倍體.如白菜和甘藍均為二倍體，其體細胞雜交后代是異源四倍體；若是白菜的單倍體和甘藍進行體細胞雜交，所得個體即為三倍體.

七、植物體細胞雜交技術所得個體是否可育？

例8 （2008年北京卷29）白菜、甘藍均為二倍體，體細胞染色體數(shù)目分別為20、18.以白菜為母本、甘藍為父本，經人工授粉后，將雌蕊離體培養(yǎng)，可得到“白菜-甘藍”雜種幼苗.

請回答問題：

（1）白菜和甘藍是兩個不同的物種，存在隔離.自然條件下，這兩個物種間不能通過的方式產生后代.雌蕊離體培養(yǎng)獲得“白菜-甘藍”雜種幼苗，所依據(jù)的理論基礎是植物細胞具有.

（2）為觀察“白菜-甘藍”染色體的數(shù)目和形態(tài)，通常取幼苗的做臨時裝片，用染料染色.觀察、計數(shù)染色體的最佳時期是.

（3）二倍體“白菜-甘藍”的染色體數(shù)為.這種植株通常不育，原因是減數(shù)分裂過程中.為使其可育，可通過人工誘導產生四倍體“白菜-甘藍”，這種變異屬于.

解析 經人工授粉后得到的雌蕊進行離體培養(yǎng)，這樣得到的雌蕊主要利用的是融合的受精卵，它是由白菜的卵細胞（n=10）和甘藍的精子（n=9）結合而來.這樣培育得到的“白菜-甘藍”是異源二倍體，染色體數(shù)是2n=10+9=19，由于在雜種體內沒有同源染色體，在減數(shù)分裂時聯(lián)會紊亂，不能形成正常的配子，所以通常是不育的；可用秋水仙素處理使染色體數(shù)目加倍得到可育的四倍體“白菜-甘藍”.幼苗中細胞分裂活動最旺盛的是根尖的分生區(qū)，在有絲分裂的中期染色體形態(tài)固定、數(shù)目清晰可數(shù)，是對染色體進行觀察和計數(shù)的最佳時期.

答案：（1）生殖 雜交（有性生殖） 全能性 （2）根尖（莖尖） 醋酸洋紅（龍膽紫、堿性） 有絲分裂中期 （3）19 沒有同源染色體配對的現(xiàn)象 染色體變異