关于植物细胞工程的疑难剖析

王守民

在人教版新课标教材生物选修3中，对现代生物科技进行了详实的介绍，师生对此都十分感兴趣，历年各地高考中有也不断出现.但在教学过程中，有关植物细胞工程的内容，许多师生还存在一些疑问，现举例予以剖析.

一、未分化的植物细胞具有全能性吗？

例1 下列植物细胞全能性最高的是（ ）.

A.形成层细胞 B.韧皮部细胞

C.木质部细胞 D.叶肉细胞

解析 全能性是指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能，分裂能力强，分化程度越低，全能性越高，形成层细胞比韧皮部、木质部和叶肉细胞的分裂能力强、分化程度低，所以形成层细胞的全能性>韧皮部细胞、木质部细胞和叶肉细胞全能性，故选择A项.

例2 有关全能性的叙述，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.生物体内细胞由于分化，全能性不能表达

C.卵细胞与受精卵一样，细胞未分化，全能性很高

D.植物细胞离体培养在一定条件下能表现出全能性

解析 受精卵发育成完整个体的能力最强，全能性最高，A正确；体细胞表达全能性的前提是离体，B正确；卵细胞的全能性小于受精卵，C错误；离体的植物细胞可以通过植物组织培养表达出全能性，D正确.

答案：C

小结 在必修1教材中指出，细胞的全能性是指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能，所以有人就只强调已经分化的细胞才具有全能性，而未分化的细胞不具有全能性.其实，只要认真分析细胞全能性的概念可知，已分化的细胞仍有全能性，意即未分化的细胞更应该具有全能性，是其中“仍”字的隐含之意.例如植物组织培养形成的愈伤组织细胞或植物的受精卵都是未分化的细胞，比分化部位的细胞更容易培养成完整植株，说明未分化的细胞也有全能性，且比分化细胞的全能性更高.

二、植物组织培养的生殖方式都是无性生殖吗？

例3 利用植物的茎尖或叶片、茎段、花药、花粉等，在无菌条件下，培养在玻璃器皿中人工配制的培养基上，使它发育成完整的植株.这种技术可以用来培育植物新品种，也可以在较短时间内大量繁殖植物，还可防止植物病毒的危害.关于这种技术的叙述，正确的是（ ）.

①这种技术利用了植物细胞的全能性

②这种技术叫做植物组织培养，可以克隆植物体

③这种技术属于细胞工程的应用领域之一

④这种技术是一种无性繁殖方式

A.① B.①② C.①②③ D.①②③④

解析 植物体细胞都含有该物种全套遗传信息，所以每个细胞理论上都具有全能性，都有发育成完整生物体的潜能.植物组织培养是在体外通过人工方法，让植物细胞表现出全能性，形成完整的植物体，是植物细胞工程的一个基础技术手段.花药（花粉）离体培养利用的是花粉中的精子直接发育为个体，虽没有精卵细胞结合的受精作用，但利用了完整的生殖细胞——精子，应该属于有性生殖中的单性（孤雄）生殖，而利用植物的茎尖或叶片、茎段等细胞属于植物的体细胞，直接发育为个体，根本没有涉及生殖细胞，这种生殖方式属于无性生殖，故选择C.（错误解析：因为没有生殖细胞的结合，所以属于无性繁殖方式，故选D.）小结 通过植物组织培养可培育成完整植株，产生子代个体，是生物的生殖过程.若选择植物体细胞进行培养，因没有涉及生殖细胞的形成和结合，故属于无性生殖；若选择植物生殖细胞进行培养，因有生殖细胞的产生并利用完整的生殖细胞进行繁殖，所以属于有性生殖.

三、植物组织培养所得植株的基因型与母本相同吗？

例4 （2008年江蘇20）下列关于植物组织培养的叙述中，错误的是（ ）.

A.培养基中添加蔗糖的目的是提供营养和调节渗透压

B.培养基中的生长素和细胞分裂素影响愈伤组织的生长和分化

C.离体器官或组织的细胞都必须通过脱分化才能形成愈伤组织

D.同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织基因相同

解析 植物组织培养中蔗糖可为外植体提供营养，同时调节渗透压；在整个组织培养中影响再分化的关键是生长素和细胞分裂素的使用比例和顺序；植物组织培养的第一个关键环节是脱分化，从而形成愈伤组织；植物组织培养的对象既可以是体细胞也可以是生殖细胞，因此获得的愈伤组织基因型不一定相同.

答案：D

小结 在植物组织培养过程中，由于只发生细胞的有丝分裂和分化，因此没有遗传物质的改变，都和选择培养的外植体相同，但不一定和母本相同.若二倍体母本的基因型为AA，则选择植物体细胞培养，所得植株仍为二倍体，基因型仍为AA，选择植物生殖细胞培养，所得植株为单倍体，基因型就是A.

四、植物体细胞融合的原理是什么？例5 图1是植物体细胞杂交示意图，请据此回答：

（1）②过程用到的生物学原理是____.

（2）图中④过程是____，⑤过程是___，④⑤过程合称____，融合的细胞能发育为完整植物体依据的原理是___.

（3） 图中①过程用到的酶是___，作用的结果是形成___.要用它们除去___，利用了酶的___.

解析 （1）图示植物体细胞杂交的②过程是原生质体的融合过程，其利用的生物学原理是细胞膜的流动性；（2）图中④过程是脱分化过程，使高度分化的细胞恢复分裂能力，⑤过程是再分化过程，通过基因的选择性表达，从而形成不同种类的细胞，实现细胞功能的专门化，④⑤过程合称植物组织培养，融合的细胞能发育为完整植物体依据的原理是植物细胞具有全能性；（3） 图中①过程是去壁（原生质体制备）过程，其中用到的酶是纤维素酶和果胶酶，作用的结果是形成有活力的原生质体.要用它们除去细胞壁，利用了酶的专一性.

答案：（1）细胞膜的流动性 （2）脱分化 再分化 植物组织培养 植物细胞具有全能性 （3）纤维素酶和果胶酶 原生质体 细胞壁 专一性

小结 植物体细胞的融合过程包括去壁和融合，去壁需要用纤维素酶和果胶酶进行酶解，利用了酶的专一性原理；融合过程包括细胞膜融合、细胞质融合和细胞核融合，其中细胞膜融合要靠细胞膜的流动性，细胞质融合主要有细胞质流动来完成，细胞核融合需要第一次有丝分裂时核膜的消失与重建来完成.

五、植物体细胞融合和植物体细胞杂交完成的标志是什么？

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.用一定剂量的紫外线处理黑芥原生质体可使其染色体片段化，并丧失再生能力.再利用此原生质体作为部分遗传物质的供体与完整的花椰菜原生质体融合，以获得抗黑腐病杂种植株.流程如图2.

据图回答下列问题：

（1） 过程①所需的酶是___.

（2） 过程②后，在显微镜下观察融合的活细胞中有供体的___存在，这一特征可作为初步筛选杂种细胞的标志.

（3） 原生质体培养液中需要加入适宜浓度的甘露醇以保持一定的渗透压，其作用是___.原生质体经过____再生，进而分裂和脱分化形成愈伤组织.

（4） 若分析再生植株的染色体变异类型，应剪取再生植株和____植株的根尖，通过___、_____、___染色和制片等过程制成装片，然后在显微镜下观察比较染色体的形态和数目.

（5） 采用特异性引物对花椰菜和黑芥基因组 DNA 进行 PCR 扩增，得到两亲本的差异性条带，可用于杂种植株的鉴定.图3是用该引物对双亲及再生植株 1～4 进行 PCR 扩增的结果.据图判断，再生植株 1—4 中一定是杂种植株的有___.

（6）对杂种植株进行接种实验，可筛选出具有高抗性的杂种植株.

解析 （1）过程①表示原生质体的制备，要用纤维素酶和果胶酶去掉植物细胞的细胞壁；

（2）用于融合的两个细胞，一个是黑芥苗的叶肉细胞，一个是花椰菜的根部细胞，其中供体细胞特有的结构是叶绿体，可通过观察叶绿体的有无作为初步筛选杂种细胞的标志；

（3）原生质体没有细胞壁的保护，需要加入适宜浓度的甘露醇以保证渗透压的稳定，以避免原生质体吸水或失水破坏原生质体的完整性；原生质体通过细胞壁杂声形成杂种细胞，进而形成愈伤组织；

（4）分析再生植株染色体变异类型，需要将再生植株细胞染色体和黑芥苗与花椰菜细胞中的染色体制片观察进行比较，制片的基本程序是解离、漂洗、染色、制片；

（5）根据图谱，花椰菜含有碱基对为300和600的DNA片段，黑芥还有碱基对为1000、1300和1500的片段，再生植株3，只含有长度为300和600的片段，与花椰菜一致，1、2、4 既含有花椰菜DNA片段，又含有黑芥DNA片段，为杂种植株；

（6）对杂种植株接种黑腐病菌，能正常生长的即为具有高抗性的杂种植株.

答案：（1）纤维素酶和果胶酶

（2）叶绿体

（3）保持原生质体的完整性 细胞壁

（4）双亲（或花椰菜和黑芥） 解离 漂洗

（5）1、2、4

（6）黑腐病菌

小结 植物体细胞融合只是植物体细胞杂交技术中的重要环节，其中植物体细胞融合完成的标志是再生出新的细胞壁，形成杂种细胞；植物体细胞杂交完成的标志是形成杂种植株.

六、植物体细胞杂交技术所得个体是几倍体？

例7 A种植物的细胞和B种植物细胞的结构如图4所示（仅显示细胞核），将A、B两种植物细胞去掉细 胞壁后，诱导二者的原生质体融合，形成单核的杂种细胞，若经过组织培养后得到了杂种植株，则该杂种植株是（ ）.

A.二倍体；基因型是DdYyRr

B.三倍体；基因型是DdYyRr

C.四倍体；基因型是DdYyRr

D.四倍体；基因型是DDddYYyyRRrr

解析 據图分析，A物种基因型为Dd，属于二倍体，B物种的基因型为YyRr，也属于二倍体，植物细胞融合后形成的杂种细胞含有两个亲本的遗传物质，基因型为DdYyRr，属于异源四倍体.

答案：C

小结 植物体细胞杂交就是将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术.其中不同种植物体细胞的融合过程，就相当于生物繁殖中的精卵结合过程，得到的杂种细胞就相当于受精卵，由杂种细胞培育成的个体，当然其中含几个染色体组就是几倍体，即相当于异源二倍体或异源多倍体.如白菜和甘蓝均为二倍体，其体细胞杂交后代是异源四倍体；若是白菜的单倍体和甘蓝进行体细胞杂交，所得个体即为三倍体.

七、植物体细胞杂交技术所得个体是否可育？

例8 （2008年北京卷29）白菜、甘蓝均为二倍体，体细胞染色体数目分别为20、18.以白菜为母本、甘蓝为父本，经人工授粉后，将雌蕊离体培养，可得到“白菜-甘蓝”杂种幼苗.

请回答问题：

（1）白菜和甘蓝是两个不同的物种，存在隔离.自然条件下，这两个物种间不能通过的方式产生后代.雌蕊离体培养获得“白菜-甘蓝”杂种幼苗，所依据的理论基础是植物细胞具有.

（2）为观察“白菜-甘蓝”染色体的数目和形态，通常取幼苗的做临时装片，用染料染色.观察、计数染色体的最佳时期是.

（3）二倍体“白菜-甘蓝”的染色体数为.这种植株通常不育，原因是减数分裂过程中.为使其可育，可通过人工诱导产生四倍体“白菜-甘蓝”，这种变异属于.

解析 经人工授粉后得到的雌蕊进行离体培养，这样得到的雌蕊主要利用的是融合的受精卵，它是由白菜的卵细胞（n=10）和甘蓝的精子（n=9）结合而来.这样培育得到的“白菜-甘蓝”是异源二倍体，染色体数是2n=10+9=19，由于在杂种体内没有同源染色体，在减数分裂时联会紊乱，不能形成正常的配子，所以通常是不育的；可用秋水仙素处理使染色体数目加倍得到可育的四倍体“白菜-甘蓝”.幼苗中细胞分裂活动最旺盛的是根尖的分生区，在有丝分裂的中期染色体形态固定、数目清晰可数，是对染色体进行观察和计数的最佳时期.

答案：（1）生殖 杂交（有性生殖） 全能性 （2）根尖（茎尖） 醋酸洋红（龙胆紫、碱性） 有丝分裂中期 （3）19 没有同源染色体配对的现象 染色体变异