1、高考生物,新高考专用,专题二十六细胞工程与胚胎工程,考点一植物细胞工程,一、植物组织培养1.概念: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。1)原理:植物细胞含有本物种的全套遗传信息。2)全能性表达的条件:离体、一定的激素和营养等。3)在生物的生长发育过程中,并不是所有的细胞都表现出全能性,原因是在特定的时间和空间条件下,细胞中的基因会选择性表达。4)全能性大小的比较:受精卵生殖细胞体细胞。分化程度低的细胞分化程度高的细胞。,3.过程,知识归纳(1)愈伤组织:未分化的不定形薄壁组织团块。(2)生长
2、素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素,它们的浓度、比例等都会影响植物细胞的发育方向。,4.实例:菊花的组织培养。,疑难突破(1)对外植体消毒的目的:避免杂菌在培养基上迅速生长消耗营养,同时防止某些杂菌危害培养物的生长。(2)一般选择植物幼嫩的组织(如茎尖、根尖、形成层细胞)作为植物组织培养的材料的原因:幼嫩的组织容易诱导形成愈伤组织。(3)植物组织培养过程中培养基中添加蔗糖的作用:提供碳源、提供能量、调节渗透压。(4)脱分化过程中要遮光,再分化过程中需要光照的原因:脱分化时光照,外植体往往容易形成维管组织,而不易形成愈伤组织;再分化时给予适当光照能诱导叶绿素的合成。,二、植物
3、体细胞杂交,1.概念: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。2.原理:细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。3.操作流程,4.诱导原生质体融合的方法:物理法包括电融合法、离心法等,化学法包括聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2+高pH融合法等。5.意义: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。,疑难突破(1)去除细胞壁的原生质体失去了细胞壁的保护,裸露的原生质体容易吸水涨破或失水皱缩,因此原生质体的融合应在等渗或略高渗溶液中进行。(2)植物细胞融合过程中,杂种细胞形成的标志是再生出新的细胞壁。(3)杂种植株的变异类型属于
4、染色体数目变异,杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和,杂种植株属于异源多倍体。,三、植物细胞工程的应用1.植物繁殖的新途径1)快速繁殖:繁殖速度快,并可保持优良品种的遗传特性。2)作物脱毒:利用茎尖等顶端分生区细胞进行组织培养获得脱毒苗,可提高作物的产量和品质。,2.作物新品种的培育1)单倍体育种原理:细胞的全能性和染色体变异。方法:二倍体植株花药(或花粉)离体培养单倍体植株纯合二倍体植株优良品种。优点:极大地缩短了育种的年限;是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。2)突变体的利用在植物的组织培养过程中,培养细胞处于不断增殖的状态,易受培养条件和诱变因素(如射线、化学物质等
5、)的影响而产生突变,因此可从突变体中筛选出对人们有用的突变体,进而培育成新品种。,3.细胞产物的工厂化生产1)一般途径:外植体愈伤组织细胞悬液细胞产物。2)初生代谢产物:是生物生长和生存所必需的代谢产物,如糖类、脂质、蛋白质、核酸等。3)次生代谢产物:不是生物生长所必需的,一般是在特定组织或器官中,在特定条件下产生的一类小分子有机化合物,如酚类、萜类和含氮化合物等。,疑难突破(1)植物顶端分生区附近(如茎尖)的病毒极少,甚至无病毒,故可用茎尖等分生区细胞培育脱毒苗。(2)获得突变体时,一般以愈伤组织作为诱变处理的对象,这是因为愈伤组织细胞分裂旺盛,容易发生突变。,考点训练(请判断下列说法是否正
6、确),1.培养基中生长素含量高于细胞分裂素时,有利于愈伤组织生根。()2.利用茎尖分生组织培养脱毒苗,可以使植株具有抗病毒能力。()3.植物细胞有细胞壁,一般可通过酶解法在清水中制备原生质体。()4.植物组织培养技术可以实现人参皂苷、紫杉醇等细胞产物的工业化生产。(),答案1.2.脱毒苗自身无病毒,但是不具备抗病毒能力。3.原生质体在清水中会吸水涨破,可在等渗或略高渗溶液中制备原生质体。4.,考点二动物细胞工程,一、动物细胞培养1.培养条件1)营养:合成培养基+血清等天然成分。知识拓展血清中含有蛋白质、氨基酸、葡萄糖等多种营养物质;含有多种激素及多种生长因子(如成纤维细胞生长因子);还含有多种
7、未知的促细胞生长因子、促贴附因子及其他活性物质,能促进细胞的生长、增殖和贴附。,2)无毒、无菌的环境。3)适宜的温度、pH和渗透压。温度:哺乳动物细胞培养的温度多以36.50.5 为宜。pH:多数动物细胞生存的适宜pH为7.27.4。渗透压:可维持细胞的正常形态和功能,是细胞培养过程中的一个重要环境参数。4)气体环境:95%空气(其中O2是细胞代谢所必需的)、5%CO2(主要作用是维持培养液的pH)的混合气体。,2.培养过程,知识归纳(1)实现无毒、无菌环境的途径:对培养液和培养用具进行灭菌处理;在无菌环境下进行操作;定期更换培养液(清除代谢物,防止细胞代谢物积累对细胞自身造成伤害)。(2)动
8、物组织块需用机械法或胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理,将组织分散成单个细胞,用培养液将细胞制成细胞悬液。(3)原代培养时,细胞分裂受阻的原因有细胞密度过大、有害代谢物积累和培养液中营养物质缺乏等,此外,贴壁细胞在生长增殖时还会出现接触抑制(当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时,细胞通常会停止分裂增殖)现象,因此需要进行传代培养。,3.干细胞的类型及其应用1),2)应用:造血干细胞:用于治疗白血病及一些恶性肿瘤放疗或化疗后引起的造血系统、免疫系统功能障碍等疾病。神经干细胞:在治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病(如帕金森病、阿尔茨海默病等)方面具有重要价值。现在用iPS细胞治疗阿尔茨海默病、心血管疾病等
9、领域的研究取得了新进展。,二、动物细胞融合技术与单克隆抗体1.动物细胞融合技术1)原理:细胞膜的流动性。2)常用方法:PEG融合法、电融合法和灭活病毒诱导法等。3)结果:形成杂交细胞。4)意义:突破了有性杂交的局限,使远缘杂交成为可能。5)应用:制备单克隆抗体等。,2.单克隆抗体1)制备流程:,2)优点:能准确识别抗原的细微差异,与特定抗原发生特异性结合,可以大量制备。3)应用:作为诊断试剂,用于多种疾病诊断和病原体鉴定;运载药物(如将细胞毒素与能特异性识别肿瘤抗原的单克隆抗体结合,选择性杀伤肿瘤细胞);治疗疾病。,知识归纳(1)杂交瘤细胞的特点:既能迅速大量繁殖,又能产生抗体。(2)两次筛选
10、的目的:第一次筛选(使用特定的选择培养基)的目的是获得杂交瘤细胞;第二次筛选(采用抗原抗体杂交技术)的目的是将能产生特定抗体的杂交瘤细胞筛选出来。,三、核移植技术和克隆动物,1.原理:动物细胞核具有全能性。2.分类:胚胎细胞核移植和体细胞核移植。3.过程:,疑难突破(1)供体细胞一般选优良动物的传代10代以内的细胞,因为传代10代以内的细胞可保持细胞正常的二倍体核型。(2)选择去核的卵母细胞作为受体细胞的原因:卵母细胞比较大,容易操作;卵母细胞细胞质多,营养物质丰富,含有激发细胞核全能性表达的物质。(3)克隆动物的遗传物质并非全部来自核供体动物:克隆动物绝大部分DNA来自核供体动物的细胞核,但
11、其细胞核外的DNA,即线粒体中的DNA可同时来自核供体细胞和受体卵母细胞。,4.应用前景:畜牧业(加速家畜遗传改良进程、促进优良畜群繁育)、医药卫生(如生产医用蛋白)以及其他领域。,考点训练(请判断下列说法是否正确),1.动物细胞培养时,培养箱中要通入5%的O2和95%的CO2。()2.B淋巴细胞和骨髓瘤细胞在单独培养时都会出现接触抑制的现象。()3.动物细胞培养是动物细胞工程的基础,进行培养时培养基中除了需加入细胞所需的各种营养物质,还需要加入血清等天然成分。()4.将骨髓瘤细胞和B淋巴细胞混合,经诱导后融合的细胞即为杂交瘤细胞。()5.灭活的病毒可诱导动物细胞或植物原生质体的融合。()6.
12、经动物细胞核移植技术获得的子代的遗传物质和核供体完全相同。(),答案1.动物细胞培养箱的气体环境是95%的空气和5%的CO2。2.骨髓瘤细胞在单独培养时不会出现接触抑制的现象。3.4.经诱导后融合的细胞中会存在部分同种细胞相互融合的非杂交瘤细胞,需用特定的选择培养基筛选得到杂交瘤细胞。5.灭活的病毒不能用于诱导植物原生质体的融合。6.子代的遗传物质中细胞核的遗传物质来自核供体,细胞质中的遗传物质可同时来自受体和核供体。,考点三胚胎工程,一、胚胎工程的理论基础1.受精1)精子获能:在雌性动物的生殖道获得受精能力。知识拓展将精子培养在人工配制的获能液中也可使其获能。获能液的成分因动物种类不同而有所
13、差异,常见的有效成分有肝素、Ca2+载体等。2)卵子的准备:在输卵管中进一步成熟,到M期时,才具备与精子受精的能力。,3)受精主要过程:,易混易错(1)常以观察到两个极体(多数哺乳动物的第一极体不进行减数分裂,不会形成两个第二极体)或者雌、雄原核作为受精的标志,而受精完成的标志是雌、雄原核融合。(2)在自然条件下,哺乳动物的受精在输卵管内完成。(3)不同哺乳动物排出的卵子成熟程度不同,有的可能是初级卵母细胞,如马、犬等;有的可能是次级卵母细胞,如猪、羊等。(4)排卵指卵子从卵泡中排出。,知识拓展精细胞变形成为精子的过程:高尔基体发育成精子头部的顶体,中心体演变成精子尾,细胞核变为精子头的主要部
14、分,线粒体聚集在精子尾的基部形成线粒体鞘,细胞内的其他物质浓缩为球状(原生质滴),原生质滴随精子的成熟过程向后移动,直至脱落。,2.胚胎早期发育1)受精卵:胚胎发育起点。2)卵裂:细胞的数量不断增加,但胚胎的总体积并不增加。3)桑葚胚:卵裂产生的子细胞逐渐形成致密的细胞团,形似桑葚,此时细胞未分化。4)囊胚:囊胚进一步扩大会导致透明带破裂,胚胎从其中伸展出来,这一过程叫作孵化。5)原肠胚:出现三个胚层和原肠腔。,二、胚胎工程技术及其应用1.体外受精1)步骤:主要包括卵母细胞的采集、精子的获取和受精等。2)过程:3)意义:体外受精技术是提高动物繁殖能力的有效措施,还可以为胚胎移植提供可用的胚胎。
15、,2.胚胎移植1)基本步骤(以牛胚胎移植为例),知识归纳(1)两次使用激素:使用外源孕激素对供、受体进行同期发情处理;使用外源促性腺激素对供体进行超数排卵处理。(2)两次检查:对收集的胚胎进行检查;对受体是否妊娠进行检查。2)优势:充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力。大大缩短了供体本身的繁殖周期,增加了供体的后代数。3)实质:早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移。胚胎本身的遗传物质并不发生改变,可保持供体的优良特性。,4)胚胎移植的生理学基础:胚胎移入:同种动物的供、受体排卵后生殖器官的生理变化是相同的。胚胎收集:早期胚胎形成后,在一定时间内不会与母体子宫建立组织上的联系,而是处于游离状态。
16、胚胎存活:受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应。胚胎发育:供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织联系,但其遗传特性不受影响。,3.胚胎分割1)材料:发育良好、形态正常的桑葚胚或囊胚。2)实质:动物无性繁殖或克隆的方法之一。3)操作要求:分割囊胚阶段的胚胎时,要注意将内细胞团均等分割。,考点训练(请判断下列说法是否正确),1.胚胎移植前要对胚胎进行检查并在囊胚或原肠胚阶段移植。()2.体外受精前,用促性腺激素处理雌鼠可以获得更多的卵细胞。()3.卵裂期,随着卵裂的进行,胚胎的体积略有变小,但有机物的总量会增加。()4.采用胚胎分割技术产生的同卵多胎的数量是有限的。()5.精子接触透
17、明带时,卵细胞膜会发生反应阻止多精入卵。(),答案1.一般选择发育良好、形态正常的桑葚胚或囊胚进行胚胎移植。2.3.卵裂期,胚胎的总体积并不增加,但细胞数量不断增加,有机物总量减少。4.5.精子触及卵细胞膜的瞬间,卵细胞膜外的透明带会发生反应,阻止后来的精子进入透明带。精子入卵后,卵细胞膜会发生反应阻止多精入卵。,创新植物的“不对称体细胞杂交”,例白叶枯病是水稻最严重的病害之一,疣粒野生稻对该病具有高度抗性,但疣粒野生稻与栽培稻有性杂交得到的后代高度不育。“不对称体细胞杂交”法可以将一个亲本的部分染色体或染色体上某些片段转移到另一个亲本体细胞内,获得不对称杂种植株。大剂量的X射线能随机破坏染色
18、体结构,使其发生断裂、易位、染色体消除等,细胞不再持续分裂。碘乙酰胺(IOA)使细胞质中某些酶失活,抑制细胞分裂。研究人员为了将疣粒野生稻的抗病性转移到栽培稻中,进行了相关实验,过程如图所示。,基础设问(1)图中能表示脱分化阶段的序号有哪些?获得杂种植株依据的原理是什么?(2)若仅考虑原生质体的两两融合,则理论上通过c过程可获得多少种细胞?(3)d过程无需筛选,就能确保形成愈伤组织的细胞一定是杂种细胞,原因是什么?,创新设问(4)若抗病实验检测发现,极少数的杂种植株没有抗病性,你认为可能的原因是什么?(5)在作物育种上,和基因工程相比,不对称体细胞杂交有何优缺点?,解题思路(1)已经分化的细胞
19、经脱分化转变成愈伤组织,图中能表示脱分化阶段的序号有a、d。获得杂种植株依据的原理是植物细胞的全能性和细胞膜的流动性。(2)若仅考虑原生质体两两融合,理论上通过c过程可得到3种细胞,分别为疣粒野生稻原生质体自身融合的细胞、栽培稻原生质体自身融合的细胞以及疣粒野生稻原生质体和栽培稻原生质体融合的细胞。,(3)由可知,经X射线处理后,疣粒野生稻自身原生质体融合的细胞及未与其他细胞融合的单个细胞的染色体结构被破坏,不能持续分裂;由可知,经IOA处理后,栽培稻自身原生质体融合的细胞及未与其他细胞融合的单个细胞中某些酶失活,细胞分裂会受抑制。杂种细胞则补充了栽培稻细胞细胞质中失活的酶(生理互补),使杂种细胞能正常分裂,故只有异源融合后的杂种细胞才可持续分裂形成愈伤组织。(4)可能是经X射线处理后,疣粒野生稻中含有抗病基因的染色体片段被破坏或消除,导致杂种植株失去了抗病性。(5)由可知,与转基因技术相比,在向目标生物转移外源基因方面,“不对称体细胞杂交”的优点是可在某一性状的遗传基础还不明确或是由多基因控制某一性状的情况下,进行有关基因的转移;缺点是只能在植物之间进行,且变异不定向,需大量筛选。,
