植物细胞工程的疑难剖析

河北 王守民

植物细胞工程的疑难剖析

河北 王守民

在人教版新课标教材选修3中，对现代生物科技进行了翔实的介绍，历年高考中时有出现。但许多师生还存在一些疑问，现举例予以剖析。

1.未分化的植物细胞具有全能性吗？

【例1】有关全能性的叙述，不正确的是 （ ）

A. 受精卵在自然条件下，其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，故A项正确；体细胞表达全能性的前提是离体，故B项正确；卵细胞的全能性小于受精卵，故C项错误；离体的植物细胞可以通过植物组织培养表达出全能性，故D项正确。

【答案】C

【小结】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。其实已分化的细胞仍有全能性，未分化的细胞更应具有全能性，是其中“仍”字的隐含之意。

2.植物组织培养的生殖方式都是无性生殖吗？

【例2】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这种技术叫作植物组织培养，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。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，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，应属于有性生殖的单性（孤雄）生殖，而利用植物的茎尖或叶片、茎段等细胞属于体细胞，直接发育为个体，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）

【答案】C

【小结】经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。若选择体细胞培养，没有涉及生殖细胞的形成和结合，属于无性生殖；若选择生殖细胞培养，利用完整的生殖细胞进行繁殖，属于有性生殖。

3.植物组织培养所得植株的基因型与母本相同吗？

【例3】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，故A项正确；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，故B项正确；植物组织培养的第一个关键环节是脱分化，结果形成愈伤组织，故C项正确；植物组织培养的对象既可是体细胞也可是生殖细胞，因此获得的愈伤组织基因型不一定相同，故D项错误。

【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。

4.植物体细胞融合的原理是什么？

【例4】下图是植物体细胞杂交示意图，据此回答：

（1）②过程用到的原理是_______。

（2）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___________________，结果是形成________。要用它们除去________，利用了酶的________。

【解析】（1）②过程是原生质体融合，其原理是细胞膜的流动性；（2）④⑤过程合称植物组织培养，融合细胞能发育为完整植物体的原理是植物细胞具有全能性；（3）图中①过程是去壁，用到的酶是纤维素酶和果胶酶，结果是形成原生质体。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）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】植物体细胞杂交的各个过程，其原理不同，去壁的原理是酶的专一性，融合的原理是细胞膜的流动性，植物组织培养的原理是细胞的全能性。

5.植物体细胞融合和植物体细胞杂交完成的标志是什么？

【例5】（2013·天津卷·节选）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。流程如下图。

据图回答下列问题：

（1）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。

（2） 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。下图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_________。

（3）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）用于融合的两个细胞是：黑芥苗的叶肉细胞和花椰菜的根细胞，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；（2）根据图谱，花椰菜含有碱基对为300和600的DNA片段，黑芥含有碱基对为1 000、1 300和1 500的片段，再生植株3，只含有长度为3 0 0和6 0 0的片段，与花椰菜一致，1、2、4既有花椰菜D N A片段，又有黑芥DNA片段，为杂种植株；（3）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）叶绿体 （2）1、2、4 （3）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。

6.植物体细胞杂交所得个体是几倍体？

【例6】A种植物的细胞和B种植物细胞的结构如下图所示（仅显示细胞核），将A、B两种植物细胞的原生质体融合，形成单核的杂种细胞，若经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】A和B植物的基因型分别为Dd和YyRr，都是二倍体，其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，故选C项。

【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。融合细胞的染色体组数目就是两者的简单加和，其中含几个染色体组就是几倍体。

7.植物体细胞杂交技术所得个体是否可育？

【例7】已知水稻抗病（R）对感病（r）为显性，有芒（B）对无芒（b）为显性，两对基因自由组合，体细胞染色体数为24条。现用单倍体育种方法选育抗病有芒水稻新品种。据此回答下列问题：

（1）诱导单倍体所用的花药，应取自基因型为________的植株。

（2）为获得上述植株，应采用基因型为________和________的两亲本进行杂交。

（3）在培养过程中，单倍体有一部分能自然加倍成为二倍体植株，该二倍体植株花粉表现________（填“可育”或“不育”），结实性为_______（填“结实”或“不结实”），体细胞染色体数为_______。

（4）在培养过程中，一部分花药壁细胞能发育成为植株，该植株的花粉表现_______（填“可育”或“不育”），结实性为_______（填“结实”或“不结实”），体细胞染色体数为_______。

（5）自然加倍植株和花药壁植株中都存在抗病有芒的表现型。为获得稳定遗传的抗病有芒新品种，本实验应选以上两种植株中的__________植株，因为自然加倍植株__________，花药壁植株__________。

【解析】为选育抗病有芒水稻新品种，应选有优良性状的纯种抗病无芒（RRbb）与感病有芒（rrBB）杂交，获得F1抗病有芒（RrBb）；第二年当F1开花时，F1产生RB、Rb、rB、rb的四种花粉，进行花药离体培养后能得到RB、Rb、rB、rb的四种单倍体幼苗，其体细胞中染色体数都是12条，且都是高度不育、不结实。这四种单倍体幼苗自然加倍后，基因型分别为RRBB、RRbb、rrBB、rrbb，都是纯合体，体细胞中染色体数都是24条，都能进行正常的减数分裂，可育能结实。由花药壁细胞经组织培养发育成的二倍体植株基因型为RrBb，是杂合体，体细胞中染色体数是24条，能进行正常的减数分裂，可育能结实。

【答案】（1）RrBb （2）RRbb rrBB （3）可育 结实24条 （4）可育 结实 24条 （5）自然加倍 基因型纯合基因型杂合

【小结】植物体细胞杂交的后代是否可育，那要看其体细胞中染色体的情况，不一定都是可育的，只要体细胞中存在成对的同源染色体，能进行正常的减数分裂产生配子，就是可育的；否则就是不可育的。

（作者单位：河北省滦平县第一中学）