河北 王守民

植物細(xì)胞工程的疑難剖析

河北 王守民

在人教版新課標(biāo)教材選修3中，對現(xiàn)代生物科技進(jìn)行了翔實的介紹，歷年高考中時有出現(xiàn)。但許多師生還存在一些疑問，現(xiàn)舉例予以剖析。

1.未分化的植物細(xì)胞具有全能性嗎？

【例1】有關(guān)全能性的敘述，不正確的是 （ ）

A. 受精卵在自然條件下，其后代細(xì)胞形成完整個體，因此全能性最高

B. 生物體內(nèi)細(xì)胞由于分化，全能性不能表達(dá)

C. 卵細(xì)胞與受精卵一樣，細(xì)胞未分化，全能性很高

D. 植物細(xì)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，故A項正確；體細(xì)胞表達(dá)全能性的前提是離體，故B項正確；卵細(xì)胞的全能性小于受精卵，故C項錯誤；離體的植物細(xì)胞可以通過植物組織培養(yǎng)表達(dá)出全能性，故D項正確。

【答案】C

【小結(jié)】細(xì)胞的全能性是指已分化的細(xì)胞仍具有發(fā)育成完整個體的潛能，所以有人就只強調(diào)已經(jīng)分化的細(xì)胞才具有全能性，而未分化的細(xì)胞不具有全能性。其實已分化的細(xì)胞仍有全能性，未分化的細(xì)胞更應(yīng)具有全能性，是其中“仍”字的隱含之意。

2.植物組織培養(yǎng)的生殖方式都是無性生殖嗎？

【例2】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(shù)可以用來培育植物新品種，也可以在較短時間內(nèi)大量繁殖植物，還可防止植物病毒的危害。關(guān)于這種技術(shù)的敘述，正確的是 （ ）

①這種技術(shù)利用了植物細(xì)胞的全能性 ②這種技術(shù)叫作植物組織培養(yǎng)，可以克隆植物體 ③這種技術(shù)屬于細(xì)胞工程的應(yīng)用領(lǐng)域之一 ④這種技術(shù)是一種無性繁殖方式

A. ① B. ①②

C. ①②③ D. ①②③④

【解析】植物體細(xì)胞都含有該物種全套遺傳信息，所以每個細(xì)胞理論上都具有全能性。植物組織培養(yǎng)是在體外通過人工方法，讓植物細(xì)胞表現(xiàn)出全能性，是植物細(xì)胞工程的一個基礎(chǔ)技術(shù)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(xì)胞結(jié)合的受精作用，但利用了完整的生殖細(xì)胞——精子，應(yīng)屬于有性生殖的單性（孤雄）生殖，而利用植物的莖尖或葉片、莖段等細(xì)胞屬于體細(xì)胞，直接發(fā)育為個體，沒有涉及生殖細(xì)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(xì)胞的結(jié)合，所以屬于無性繁殖方式，故選D）

【答案】C

【小結(jié)】經(jīng)植物組織培養(yǎng)可培育成完整植株，產(chǎn)生子代個體，是生物的生殖過程。若選擇體細(xì)胞培養(yǎng)，沒有涉及生殖細(xì)胞的形成和結(jié)合，屬于無性生殖；若選擇生殖細(xì)胞培養(yǎng)，利用完整的生殖細(xì)胞進(jìn)行繁殖，屬于有性生殖。

3.植物組織培養(yǎng)所得植株的基因型與母本相同嗎？

【例3】下列關(guān)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(diào)節(jié)滲透壓

B. 培養(yǎng)基中的生長素和細(xì)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(xì)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(xì)胞經(jīng)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(diào)節(jié)滲透壓，故A項正確；在整個組織培養(yǎng)中影響再分化的關(guān)鍵是生長素和細(xì)胞分裂素的使用比例和順序，故B項正確；植物組織培養(yǎng)的第一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是脫分化，結(jié)果形成愈傷組織，故C項正確；植物組織培養(yǎng)的對象既可是體細(xì)胞也可是生殖細(xì)胞，因此獲得的愈傷組織基因型不一定相同，故D項錯誤。

【答案】D

【小結(jié)】在植物組織培養(yǎng)過程中，由于只發(fā)生細(xì)胞的有絲分裂和分化，因此沒有遺傳物質(zhì)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(xì)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(xì)胞培養(yǎng)，所得植株為單倍體，基因型就是A。

4.植物體細(xì)胞融合的原理是什么？

【例4】下圖是植物體細(xì)胞雜交示意圖，據(jù)此回答：

（1）②過程用到的原理是_______。

（2）④⑤過程合稱________，融合的細(xì)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___________________，結(jié)果是形成________。要用它們除去________，利用了酶的________。

【解析】（1）②過程是原生質(zhì)體融合，其原理是細(xì)胞膜的流動性；（2）④⑤過程合稱植物組織培養(yǎng)，融合細(xì)胞能發(fā)育為完整植物體的原理是植物細(xì)胞具有全能性；（3）圖中①過程是去壁，用到的酶是纖維素酶和果膠酶，結(jié)果是形成原生質(zhì)體。要用它們除去細(xì)胞壁，利用了酶的專一性。

【答案】（1）細(xì)胞膜的流動性 （2）植物組織培養(yǎng) 植物細(xì)胞具有全能性 （3）纖維素酶和果膠酶 原生質(zhì)體 細(xì)胞壁 專一性

【小結(jié)】植物體細(xì)胞雜交的各個過程，其原理不同，去壁的原理是酶的專一性，融合的原理是細(xì)胞膜的流動性，植物組織培養(yǎng)的原理是細(xì)胞的全能性。

5.植物體細(xì)胞融合和植物體細(xì)胞雜交完成的標(biāo)志是什么？

【例5】（2013·天津卷·節(jié)選）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(zhì)體可使其染色體片段化，并喪失再生能力。再利用此原生質(zhì)體作為部分遺傳物質(zhì)的供體與完整的花椰菜原生質(zhì)體融合，以獲得抗黑腐病雜種植株。流程如下圖。

據(jù)圖回答下列問題：

（1）過程②后，在顯微鏡下觀察融合的活細(xì)胞中有供體的________存在，這一特征可作為初步篩選雜種細(xì)胞的標(biāo)志。

（2） 采用特異性引物對花椰菜和黑芥基因組DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增，得到兩親本的差異性條帶，可用于雜種植株的鑒定。下圖是用該引物對雙親及再生植株1～4進(jìn)行PCR擴(kuò)增的結(jié)果。據(jù)圖判斷，再生植株1～4中一定是雜種植株的有_________。

（3）對雜種植株進(jìn)行___________接種實驗，可篩選出具有高抗性的雜種植株。

【解析】（1）用于融合的兩個細(xì)胞是：黑芥苗的葉肉細(xì)胞和花椰菜的根細(xì)胞，其中供體細(xì)胞特有的結(jié)構(gòu)是葉綠體，可通過觀察葉綠體的有無作為初步篩選雜種細(xì)胞的標(biāo)志；（2）根據(jù)圖譜，花椰菜含有堿基對為300和600的DNA片段，黑芥含有堿基對為1 000、1 300和1 500的片段，再生植株3，只含有長度為3 0 0和6 0 0的片段，與花椰菜一致，1、2、4既有花椰菜D N A片段，又有黑芥DNA片段，為雜種植株；（3）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）葉綠體 （2）1、2、4 （3）黑腐病菌

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

6.植物體細(xì)胞雜交所得個體是幾倍體？

【例6】A種植物的細(xì)胞和B種植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)如下圖所示（僅顯示細(xì)胞核），將A、B兩種植物細(xì)胞的原生質(zhì)體融合，形成單核的雜種細(xì)胞，若經(jīng)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】A和B植物的基因型分別為Dd和YyRr，都是二倍體，其融合后形成的雜種細(xì)胞含有兩個親本的遺傳物質(zhì)，基因型為DdYyRr，屬于異源四倍體，故選C項。

【答案】C

【小結(jié)】植物體細(xì)胞雜交就是將不同種的植物體細(xì)胞，在一定條件下融合成雜種細(xì)胞，并把雜種細(xì)胞培育成新的植物體的技術(shù)。融合細(xì)胞的染色體組數(shù)目就是兩者的簡單加和，其中含幾個染色體組就是幾倍體。

7.植物體細(xì)胞雜交技術(shù)所得個體是否可育？

【例7】已知水稻抗病（R）對感?。╮）為顯性，有芒（B）對無芒（b）為顯性，兩對基因自由組合，體細(xì)胞染色體數(shù)為24條?，F(xiàn)用單倍體育種方法選育抗病有芒水稻新品種。據(jù)此回答下列問題：

（1）誘導(dǎo)單倍體所用的花藥，應(yīng)取自基因型為________的植株。

（2）為獲得上述植株，應(yīng)采用基因型為________和________的兩親本進(jìn)行雜交。

（3）在培養(yǎng)過程中，單倍體有一部分能自然加倍成為二倍體植株，該二倍體植株花粉表現(xiàn)________（填“可育”或“不育”），結(jié)實性為_______（填“結(jié)實”或“不結(jié)實”），體細(xì)胞染色體數(shù)為_______。

（4）在培養(yǎng)過程中，一部分花藥壁細(xì)胞能發(fā)育成為植株，該植株的花粉表現(xiàn)_______（填“可育”或“不育”），結(jié)實性為_______（填“結(jié)實”或“不結(jié)實”），體細(xì)胞染色體數(shù)為_______。

（5）自然加倍植株和花藥壁植株中都存在抗病有芒的表現(xiàn)型。為獲得穩(wěn)定遺傳的抗病有芒新品種，本實驗應(yīng)選以上兩種植株中的__________植株，因為自然加倍植株__________，花藥壁植株__________。

【解析】為選育抗病有芒水稻新品種，應(yīng)選有優(yōu)良性狀的純種抗病無芒（RRbb）與感病有芒（rrBB）雜交，獲得F1抗病有芒（RrBb）；第二年當(dāng)F1開花時，F(xiàn)1產(chǎn)生RB、Rb、rB、rb的四種花粉，進(jìn)行花藥離體培養(yǎng)后能得到RB、Rb、rB、rb的四種單倍體幼苗，其體細(xì)胞中染色體數(shù)都是12條，且都是高度不育、不結(jié)實。這四種單倍體幼苗自然加倍后，基因型分別為RRBB、RRbb、rrBB、rrbb，都是純合體，體細(xì)胞中染色體數(shù)都是24條，都能進(jìn)行正常的減數(shù)分裂，可育能結(jié)實。由花藥壁細(xì)胞經(jīng)組織培養(yǎng)發(fā)育成的二倍體植株基因型為RrBb，是雜合體，體細(xì)胞中染色體數(shù)是24條，能進(jìn)行正常的減數(shù)分裂，可育能結(jié)實。

【答案】（1）RrBb （2）RRbb rrBB （3）可育 結(jié)實24條 （4）可育 結(jié)實 24條 （5）自然加倍 基因型純合基因型雜合

【小結(jié)】植物體細(xì)胞雜交的后代是否可育，那要看其體細(xì)胞中染色體的情況，不一定都是可育的，只要體細(xì)胞中存在成對的同源染色體，能進(jìn)行正常的減數(shù)分裂產(chǎn)生配子，就是可育的；否則就是不可育的。

（作者單位：河北省灤平縣第一中學(xué)）