第2章 细胞工程——2022-2023学年高二生物下学期期末知识点精讲+训练学案+期末模拟卷

第2章 细胞工程

第1节 植物细胞工程

[主干知识]

一、细胞工程的概念与分类

二、细胞的全能性

1．概念：细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。

2．生物体内细胞不能表现全能性的原因：在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达。

三、植物组织培养技术

1．概念：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。

3．基本过程

(1)脱分化：在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化，即失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成愈伤组织的过程。

(2)愈伤组织：脱分化产生的不定形的薄壁组织团块。

(3)再分化：愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。

4．菊花的组织培养

四、植物体细胞杂交技术

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．过程

(1)过程①表示去除细胞壁。

(2)过程②表示诱导原生质体融合。

(3)过程③表示杂种细胞再生出细胞壁。

(4)过程④和⑤分别表示脱分化和再分化。

3．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。

五、植物繁殖的新途径

1．快速繁殖

(1)快速繁殖技术：用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，也叫作微型繁殖技术。

(2)优点：①高效、快速地实现种苗的大量繁殖；②保持优良品种的遗传特性。

(3)实例：兰花、甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产。

2．作物脱毒

(1)选材部位：植物的顶端分生区附近，因为此处细胞内的病毒极少，甚至无病毒。

(2)优点：提高作物的产量和品质。

(3)实例：脱毒马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等作物的培育。

六、作物新品种的培育

1．单倍体育种

(1)过程

(2)优点

2．突变体的利用

(1)产生：在植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此它们容易受到培养条件和诱变因素(如射线、化学物质等)的影响而产生突变。

(2)利用：从产生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。

(3)实例：抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。

七、细胞产物的工厂化生产

1．次生代谢物：是一类小分子有机化合物(如酚类、萜类和含氮化合物等)，在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。

2．技术基础：植物细胞培养技术，即在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。

3．实例：紫草宁、紫杉醇和人参皂苷等的生产。

[易错辨析]

(1)高度分化的成熟叶肉细胞不具有细胞的全能性(×)

(2)植物种子萌发形成幼苗体现了植物细胞的全能性(×)

(3)植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出细胞的全能性(×)

(4)愈伤组织是外植体经脱分化和再分化后形成的(×)

(5)无论脱分化还是再分化过程中均需提供光照(×)

(6)利用物理法或化学法可以直接将两个植物细胞诱导融合(×)

(7)植物微型繁殖运用了植物组织培养技术，可快速繁殖良种植物(√)

(8)利用组织培养技术培育脱毒苗，获得抗病毒的新物种(×)

(9)二倍体植株的花粉经脱分化与再分化后得到稳定遗传的植株(×)

(10)利用组织培养技术产生突变体，可直接培育出具有优良性状新品种(×)

(11)在植物组织培养过程中，容易获得突变体的主要原因是DNA复制容易受到抑制(×)

(12)获得细胞产物只需要通过植物组织培养培养到愈伤组织阶段即可(√)

 第2节 动物细胞工程

[主干知识]

一、动物细胞培养的概念

动物细胞培养是指从动物体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后在适宜的培养条件下，让这些细胞生长和增殖的技术。

二、动物细胞培养的条件

1．营养：培养基中应含有细胞所需要的各种营养物质，如糖类、氨基酸、无机盐、维生素等，由于人们对细胞所需的营养物质尚未全部研究清楚，因此通常需要加入血清等一些天然成分。

2．无菌、无毒的环境

(1)对培养液和所有培养用具进行灭菌处理；

(2)在无菌环境下进行操作；

(3)定期更换培养液以便清除代谢物。

3．温度、pH和渗透压

4．气体环境

三、动物细胞培养的过程

1．细胞贴壁：体外培养的动物细胞大多数往往贴附在培养瓶的瓶壁上，这种现象称为细胞贴壁。

2．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，这种现象称为接触抑制。

3．原代培养：分瓶之前的细胞培养，即动物组织经处理后的初次培养。

4．传代培养：分瓶后的细胞培养称为传代培养。

四、干细胞培养及其应用

1．干细胞的存在部位：干细胞存在于早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中。

2. 干细胞的种类：干细胞包括胚胎干细胞和成体干细胞等。

(1)胚胎干细胞(简称ES细胞)：具有分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞，并进一步形成机体的所有组织和器官甚至个体的潜能。

(2)成体干细胞：具有组织特异性，只能分化成特定的细胞或组织，不具有发育成完整个体的能力。

3．干细胞的应用

(1)将正常的造血干细胞移植到病人体内，恢复病人的造血和免疫功能，已成为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的一种重要手段。

(2)神经干细胞在治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病方面有重要的应用价值。

4．诱导多能干细胞

(1)概念：诱导多能干细胞(简称iPS细胞)是通过体外诱导成纤维细胞，获得的类似胚胎干细胞的一类细胞。

(2)应用前景：诱导过程无需破坏胚胎，不涉及伦理问题；iPS细胞可以来源于病人自身的体细胞，将它移植回病人体内后，理论上可以避免免疫排斥反应。因此应用前景优于胚胎干细胞。

五、动物细胞融合技术

1．概念：使两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的技术。

2．诱导方法：PEG融合法、电融合法和灭活病毒诱导法等。

3．结果：形成的杂交细胞具有原来两个或多个细胞的遗传信息。

4．意义

(1)突破了有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能。

(2)是研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和培育生物新品种等的重要手段。

(3)为制造单克隆抗体开辟了新途径。

六、单克隆抗体及其应用

1．单克隆抗体的制备

(1)

(2)解决思路：将B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合为杂交瘤细胞，既能大量增殖，又能产生特定抗体。

(3)制备过程

2．单克隆抗体的优点

特异性、灵敏度，并可大量制备。

3．单克隆抗体的应用

(1)作为诊断试剂，在多种疾病的诊断和病原体鉴定中发挥重要的作用。

(2)用于运载药物和治疗疾病。

七、动物细胞核移植技术

1．概念

将动物一个细胞的细胞核移入去核的卵母细胞中，使这个重新组合的细胞发育成新胚胎，继而发育成动物个体的技术。

2．种类

哺乳动物核移植可以分为胚胎细胞核移植和体细胞核移植。

3．过程

八、体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题

1．应用前景

(1)加速家畜遗传改良进程、促进优良畜群繁育。

(2)转基因克隆动物可作为生物反应器，生产医用蛋白。

(3)用于细胞、组织或器官的移植，可以避免免疫排斥反应。

(4)研究胚胎发育及衰老过程。

(5)克隆一批遗传背景相同的动物，可以对比分析致病基因。

(6)克隆特定疾病模型的动物，为研究该疾病的致病机制和开发相应的药物提供帮助。

(7)增加濒危物种的存活数量。

2．存在的问题

(1)该技术的成功率非常低。

(2)核移植的理论研究较为滞后。

(3)绝大多数克隆动物存在健康问题，许多克隆动物表现出遗传和生理缺陷。

  [易错辨析]

(1)在25 ℃的实验条件下可顺利完成大鼠神经细胞的培养(×)

(2)动物细胞培养与植物组织培养依据的原理都是细胞的全能性(×)

(3)动物细胞培养和植物组织培养过程中都要用到胰蛋白酶(×)

(4)肝细胞培养过程中通常在培养液中通入5%的CO2以刺激细胞呼吸(×)

(5)培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞(×)

(6)胚胎干细胞可以来源于早期胚胎，也可以来源于成熟个体(×)

(7)ES细胞可用于治疗帕金森综合征和老年痴呆症等(√)

(8)灭活的病毒能促进动物细胞融合，也能促进植物细胞融合(×)

(9)体细胞杂交技术可用于克隆动物和制备单克隆抗体(×)

(10)将抗原注入小鼠体内，是为了获得能产生相应抗体的B淋巴细胞(√)

(11)将B淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行诱导融合，培养液中融合后的细胞即为杂交瘤细胞(×)

(12)杂交瘤细胞进行体内培养，是为了获得能产生单克隆抗体的胚胎(×)

(13)单克隆抗体诊断试剂提高了诊断的准确性、灵敏性(√)

(14)动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植(√)

(15)动物细胞核移植的受体细胞必须是卵细胞(×)

(16)克隆动物的性状与供体动物完全相同(×)

(17)选择去核的卵母细胞作为核受体进行核移植可提高克隆动物的成功率(√)

第3节　胚胎工程

[主干知识]

一、胚胎工程的概念

1．操作对象：生殖细胞、受精卵或早期胚胎细胞。

2．技术手段：体外受精、胚胎移植和胚胎分割等。

3．实质：在体外条件下，对动物自然受精和早期胚胎发育条件进行的模拟操作。

二、受精

1．概念：精子与卵子结合形成合子(即受精卵)的过程。

2．场所：哺乳动物的受精在输卵管内完成。

3．过程

三、胚胎早期发育

四、体外受精

1．试管动物：通过人工操作使卵子在体外受精，经培养发育为早期胚胎后，再进行移植产生的个体。

2．体外受精技术：主要包括卵母细胞的采集、精子的获取和受精等步骤。

3．体外受精技术的意义：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。

五、胚胎移植

1．概念：将通过体外受精及其他方式得到的胚胎，移植到同种的、生理状态相同的雌性动物体内，使之继续发育为新个体的技术。

2．基本程序

3．意义：充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力。

六、胚胎分割

1．概念：采用机械方法将早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份等，经移植获得同卵双胎或多胎的技术。

2．实质：来自同一胚胎的后代具有相同的遗传物质，因此胚胎分割可看作动物无性繁殖或克隆的方法之一。

3．材料选择：应选择发育良好、形态正常的桑葚胚或囊胚。

4．操作要求：对囊胚阶段的胚胎进行分割时，要注意将内细胞团均等分割。

 [易错辨析]

(1)成熟的精子并不具有受精能力，必须获能后才具备受精能力(√)

(2)卵裂期胚胎的总体积随分裂次数增加而不断增大(×)

(3)在胚胎发育过程中，细胞的分化出现在桑葚胚期(×)

(4)内细胞团将来发育成胎膜和胎盘(×)

(5)采集的卵母细胞都可直接与获能的精子在体外受精(×)

(6)为了获得更多的卵母细胞，需用雌激素对供体进行处理(×)

(7)胚胎移植时，供体母畜需要具备优良的遗传性能(√)

(8)胚胎分割移植应选取发育良好、形态正常的囊胚或原肠胚(×)

(9)在对囊胚进行分割时，要将滋养层细胞均等分割(×)

(10)利用胚胎分割技术可以获得两个基因型完全相同的胚胎(√)

本章重难点讲解

一、植物激素在植物组织培养中的作用

(1)生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性因素。

(2)按照不同的顺序使用生长素和细胞分裂素，会得到不同的实验结果。

(3)生长素和细胞分裂素的比例影响植物细胞的发育方向。

二、植物体细胞杂交过程中的要点剖析

(1)细胞融合体现细胞膜的流动性；杂种细胞发育成杂种植株体现植物细胞的全能性。

(2)与传统有性杂交相比，植物体细胞杂交具有的优越性

①克服植物远缘杂交不亲和的障碍；

②打破物种之间的生殖隔离；

③扩大遗传重组的范围。

(3)植物体细胞杂交的培养基中要添加蔗糖且浓度略大于植物细胞质浓度，原因是蔗糖溶液不仅为原生质体提供营养，而且还能维持一定的渗透压，使原生质体保持正常的形态。

(4)体细胞融合后，培养基中的细胞有三类：①未融合的细胞(A和B)；②两两融合的细胞(AA、BB和AB)；③多细胞融合体。只有AB型细胞是我们需要的杂种细胞，因此还应有一个筛选过程。

三、体细胞杂交过程中涉及的遗传知识

(1)从生殖类型上看，植物体细胞杂交技术没有生殖细胞的形成和结合，属于无性生殖，变异类型属于染色体数目的变异，形成的是异源多倍体，由于含有两个亲本的遗传物质，因此理论上应具有两个亲本的遗传性状。

(2)体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管染色体、基因组还是染色体组都是两亲本之和。若一植物细胞含有2x条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb，另一植物细胞含有2y条染色体，2个染色体组，基因型为ccDd，则新植株应为异源四倍体，其体细胞中染色体数为(2x＋2y)条，含4个染色体组，基因型为AabbccDd。

(3)培育杂种植株的过程中，遗传物质的传递不遵循孟德尔遗传定律，只有进行有性生殖的生物经减数分裂形成配子时才符合遗传定律，而体细胞杂交没有上述过程。

四、神奇的人工种子

1．概念：以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。人工种子在适宜条件下同样能够萌发长成幼苗。

2．结构：由胚状体、作为保护性外壳的人工种皮和提供发育所需营养的人工胚乳组成，如图所示。

3．在人工种子中，人工种皮是保证包裹在其中的胚状体顺利生长成小植株的关键部分。针对植物种类和土壤等条件，在人工种子的包裹剂中还可以加入适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等。为了促进胚状体的生长发育，还可以向人工种皮中加入一些植物生长调节剂。

4．优点

(1)属于无性生殖，无天然种子因有性生殖引起的基因重组而发生性状分离的现象。

(2)生产上不受季节、气候和地域的限制。

(3)提高植物的繁殖能力。

(4)可人为控制植物的生长发育与抗逆性。

(5)便于贮存和运输。

五、植物组织培养与植物细胞培养的比较

六、动物细胞培养过程解读

(1)原理：细胞增殖。

(2)将动物细胞分散成单个细胞培养的原因

①保证细胞所需要的营养供应。

②保证细胞内有害代谢产物的及时排出。

(3)细胞贴壁和接触抑制

①细胞贴壁：细胞悬液中分散的细胞往往贴附在培养瓶的瓶壁上，称为细胞贴壁。培养贴附性细胞时，细胞要能够贴附于底物上才能生长繁殖，这就要求培养瓶或培养皿的内表面光滑、无毒，易于贴附。

②接触抑制：细胞数目不断增多，当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞就会停止分裂增殖，这种现象称为细胞的接触抑制。打破接触抑制现象的方法是将贴满瓶壁的细胞重新用胰蛋白酶等处理，然后分瓶继续培养，让细胞继续增殖。

(4)原代培养与传代培养

①原代培养：细胞悬液第一次在培养瓶中培养，分瓶之前的细胞培养，即动物组织经处理后的初次培养。

②传代培养：贴满瓶壁的细胞需要重新用胰蛋白酶等处理，然后分瓶继续培养，让细胞继续增殖，这样的培养过程通常被称为传代培养。10代以内的细胞可保持正常的二倍体核型。细胞传至10～50代左右时，会出现核型异常，细胞增殖会明显减缓，甚至完全停止。当继续传代培养时，少部分细胞会克服细胞寿命的自然极限，获得不死性。

(5)细胞株和细胞系

①细胞株：传代培养的细胞能传到10～50代，这样的传代细胞称为细胞株。

②细胞系：传代培养的细胞在传到50代后，有部分细胞的遗传物质发生了改变，获得不死性，这种具有癌变特点的细胞称为细胞系。

(6)动物细胞培养过程中“两次”使用胰蛋白酶的作用

①第一次：用胰蛋白酶处理动物组织，目的是把组织分散为单个细胞后进行培养，即原代培养。

②第二次：细胞培养过程中出现接触抑制，用胰蛋白酶处理使其从瓶壁上脱离下来，然后将其分散到多个培养瓶中继续进行培养，即传代培养。

七、植物组织培养和动物细胞培养的比较

八、胚胎干细胞

(1)胚胎干细胞的分离途径

(2)胚胎干细胞的特性与培养

胚胎干细胞是从早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞，包括人类囊胚的内细胞团，具有胚胎细胞的特性。它能长期维持未分化状态，又有全能分化的潜能，在体外培养时仍能维持正常和稳定的染色体组型，在特定的环境诱导下，能分化成各类细胞。培养胚胎干细胞的关键是需要一种培养体系，这种体系必须能促进胚胎干细胞的生长，同时还要抑制胚胎干细胞的分化。

(3)胚胎干细胞培养的过程

(4)干细胞的种类

九、植物体细胞杂交和动物细胞融合的比较

十、单克隆抗体制备过程中两次筛选的方法及目的

十一、关于细胞核移植技术的易误点分析

(1)核移植时应选MⅡ期卵母细胞的原因

①此类细胞体积大，易于操作；②卵黄多，营养物质丰富，可为发育提供充足的营养；③卵母细胞的细胞质中存在激发细胞核全能性表达的物质。

(2)克隆动物是由重组的细胞培养而来的，该重组细胞的细胞质基因主要来源于受体细胞，细胞核基因来源于提供细胞核的亲本。因此克隆动物的遗传物质来自2个亲本。

(3)核移植中供体动物、提供卵母细胞的动物、代孕动物和克隆动物之间的关系：克隆动物绝大部分性状与供体动物相同，少数性状与提供卵母细胞的动物相同，但与代孕动物的性状无遗传关系。

(4)动物体细胞核移植技术(克隆)从生殖方式的角度看属于无性生殖，重组细胞相当于受精卵，需要动物细胞培养和胚胎工程技术的支持。

十二、关于体内受精应注意的几个问题

(1)精子获能是指精子获得受精能力，而不是获得能量；排卵是指卵子从卵泡中排出，而不是卵泡从卵巢中排出。

(2)动物排出的卵子成熟程度不同，有的可能是次级卵母细胞，如猪、羊等；有的可能是初级卵母细胞，如马、犬等。但它们都要在输卵管内进一步成熟，到MⅡ期时，才具备与精子受精的能力。

(3)受精的标志≠受精完成的标志：判断受精的标志是在透明带和卵细胞膜之间观察到两个极体；而受精完成的标志是雌、雄原核的融合。

(4)受精卵遗传物质的来源：核遗传物质来自精子的细胞核与卵细胞的细胞核(即精卵各提供1/2)，而细胞质的遗传物质几乎全部来自卵细胞。

十三、试管动物和克隆动物的比较

十四、胚胎移植中的四个注意点