2019-2020年人教版高中生物选修3《现代生物科技专题二细胞工程》教学设计 教学目标
1．知识方面：
（1） 细胞的全能性。
（2） 植物细胞工程的主要技术——植物组织培养和植物体细胞杂交。
2．态度观念方面：
（1） 通过介绍植物组织培养技术的发展史、植物体细胞杂交技术所取得的进展和尚未解
决的问题，激发学生探索生命科学奥秘的兴趣，通过学习使学生达到用发展的眼光看问题、分析问题，勇于开拓、推陈出新。
（2） 在植物细胞工程两在技术的学习中，渗透科学态度、科学方法和科学精神的养成教
育，培养学生形成正确的的唯物主义世界观和人生观。 3．能力方面：
（1） 合理利用录像、软件等多媒体课件，培养学生的观察能力、分析应用能力和整合信
息的综合能力。
（2） 创设问题，在质疑、探究中培养学生独立思考、推理判断和创造性思维能力。 （3） 通过联系生产生活实际，培养学生理论联系实际的能力。 教学重点：
1．植物组织培养的原理和过程。 2．植物体细胞杂交的原理。
3．植物细胞工程应用的实例。 教学难点：植物体细胞杂交
教学方法：探究法、谈话法、讲授法相结合。 具体教学思路： 1．课前布置预习；
2．温故知新，复习细胞全能性理论。
3．充分利用学生已有知识，借助多媒体教学手段，提供更多的资料供学生阅读，让学生
探究知识的奥秘。
4．智能训练，实现知识的正向迁移。 教学课时：2课时 教学过程：
教师活动：课堂课件展示，提出问题，导入新课。
1．结合基因工程成果与展望的有关知识，简述“超级细菌”的培育过程。 2．如果将三种假单孢杆菌与第四种假单孢杆菌融合或将其内的细胞器移入第
四种假单孢杆菌体内，使之具有分解四种烃类化合物的功能。这样的生物技术应属于何种生物工程？
学生活动：分析、讨论，归纳总结。（见课件） 学生预习中出现的问题（见课件） 一．细胞的全能性：
1． 概念： 2． 实例：
3． 形成原因：细胞内含有本物种的整套遗传物质。 二．植物组织培养：
在学生充分复习、认真预习的基础上，教师通过教学设问以谈话方式引导学生总结出植物组织培养的过程。
相关问题：
1． 植物细胞表现出全能性的必要条件是什么？
2． 离休的器官、组织或细胞如果不进行脱分化处理，能否培养成完整的植物体？ 3． 决定植物细胞脱分化、再分化的关键因素是什么？
4． 在植物组织培养过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？ 通过教师启发，学生讨论，共同归纳、总结。（见图）
植物组织培养的应用方面：生产药物、食品添
加剂、香料和杀虫剂。
小结：在生物体内，由于基因的选择性表达，细
胞不能表现出全能性，而是分化成为不同的 组织、器官。当已分化的植物细胞、组织或 器官脱离母体后（即脱分化），在一定的营养 物质、激素等外界条件作用下，脱分化形成 愈伤组织（一种相对没有分化的细胞团），再 在植物激素等诱导下发生再分化，才能表达 出全能性，发育成完整的植株。 问题情境：
1．在生产药物、食品添加剂、香料、色素和杀虫 剂时进行的过程属于植物组织培养吗？（前者 为植物细胞培养，即培养到愈伤组织即可；后 者需诱导产生完整的植物体。）
2．20世纪60年代，有的科学家提出了这样一个设想：让番茄和马铃薯杂交，培育出一种地上结番茄果实，地下结马铃薯块茎的植物。
如果要实现这一设想，你认为可以采用哪些方法？ 引导学生阅读课文资料，回答下列问题：
（1）要想让两个来自不同植物的体细胞融合在一起，遇到的第一个障碍是什么？ （2）有没有一种温和的去细胞壁的方法？
（3）如果两个来源不同的原生质体发生融合形成了杂种细胞，下一步该对此细胞做何
种处理？
（4）如何将杂种细胞培育成杂种植株？
组织学生分小组讨论、分析，得出相关结论。 三．植物体细胞杂交：
1．概念：用两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物
体的方法。
2．杂交的时间：植物细胞杂交是从细胞融合开始，到培育成的新植物体结束。 3．过程： 纤维素酶
原生质体制备： 用酶解法去除细胞壁。
果胶酶
膜融合 ：高钙、高PH诱导膜融合 原生质体融合： 核融合 ：杂种细胞第一次有丝分裂时融合
方法： 物理方法 ：离心、振动、电刺
：聚乙二醇（PEG） 化学方法 激
过程
杂种细胞的筛选和培养： 机械法、生理法、遗传法
由愈伤组织再培养出杂种植株的过程。 杂种植株的再生与鉴定：
4.优点：克服远缘杂交不亲和的障碍，扩大杂交亲本范围，培养新品种。 课堂小结：细胞全能性是植物组织培养的理论基础，而植物组织培养又是植物体细胞杂交的
技术环节之一。
智能训练：课本的《思考与探究》 课后记：
通过学习本节知识，使学生了解了植物组织培养和植物体细胞杂交的进展情况和前景，也巩固了旧知识，掌握了新知。本节课学生的阅读能力得到了增大的提高。
[第二课时]植物细胞工程的实际应用
学习探讨：印发课堂阅读资料。
1.通过查阅资料，请你再列举出植物组织培养技术在我们生活中的另外一些应用。 2.请查阅植物人工种子制备技术的详细过程，设计出制备技术的主要流程图。
诱导植物愈伤组织→体细胞胚的诱导→体细胞胚的成熟→体细胞胚的机械化包裹→贮藏或种植
3.请查阅相关文献，设计出一种植物花药组织培养和染色体加倍的实验流程。
花药
花粉细胞培养
愈伤组织
分化出小植物
单倍体植株
正常植株
4．人们利用植物的微型繁殖技术来进行工厂化育苗生产，这是利用了该项技术的哪些特点？ 5．人工种子之所以神奇，是由于它具有天然种子不可比拟的特点，想一想它们具有哪些优
点？
6．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，请探讨人工种皮中
应该具有的有效成分是什么？为了促进胚状体的生长发育，我们还可以向人工种皮中加入哪些物质？
7．高效抗癌的药物紫杉醇，虽然能造福人类，但却为濒危的红豆杉带来一场灭顶之灾。以
“我们能否利用植物组织培养技术大量生产紫杉醇，从而拯救红豆杉”呢？ 四、植物细胞工程的实际应用 1、开辟植物繁殖的新途径： （1） 植物微型繁殖； （2） 培养无毒植株； （3） 制作人工种子。 2、改良作物：
（1） 单倍体育种： （2） 突变体的利用。
3、细胞产物的工厂化生产：生产人参皂甙干粉、生产红杉醇等。 课堂小结：略 随堂练习：见资料 课后记：略 [知识拓展]
1.什么是细胞全能性?
细胞全能性（cell totipotency）比较权威的定义是1984年国际组织培养协会做出的：“细胞全能性为细胞的某种特征，有这种能力的细胞保留形成有机体所有细胞类型的能
力”。这个定义比一般所说的概念“一个细胞中包含着这种生物的全部遗传信息（基因），在适当的条件下可以发育成一个完整的生物体”更基本和全面。它不但包含了培养细胞再生成植株的情况（分化成各种类型的细胞，并以一定形式构建成植物），同时也包含了培养细胞生产次生代谢物的情况（不分化或只分化成某种类型细胞，但仍留着分化为其他细胞类型的能力）。前者成为组织培养和转基因植物需要进行植株再生的理论基础，后者成为像微生物发酵一样培养细胞，生产人们所需要的次生代谢产物的理论基础，如通过红豆杉的细胞培养生产紫杉醇。
2.植物组织培养技术是如何发展起来的？
技术和理论是一对孪生兄弟，相辅相成，技术手段的发明会促进理论的创新，理论的创新又会指导技术的实践活动。植物组织培养也是如此。
早在1902年，哈伯兰特（Haberlandt）提出高等植物的器官和组织可以不断地分割，直至单个细胞的观点，预言植物体细胞在适宜的条件下，有发育成完整植株的潜力，提出了植物细胞全能性的设想，并且用植物细胞组织进行了培养实验。他虽然未能获得再生植株，却是植物组织培养的开创者。1902年他发表了著名论文《植物细胞离体培养实验》，论文中提出的植物细胞全能性的理论是植物组织培养的理论基础。
从哈伯兰特提出植物细胞全能性的理论，到1958年斯图尔德（F.C.Steward）等人第一次用胡萝卜根的韧皮部细胞证实了植物细胞的全能性，用了整整56年。56年中许多科学家做的事情归纳起来都是在探索哈伯兰特提出的“植物细胞在适宜条件下，有发育成完整植株的潜力”中的适宜条件。
20世纪60年代以后，植物组织培养进入了迅速发展阶段，并逐步走向生产应用，如快繁脱毒、单倍体育种、种质资源保存、生产次生代谢产物等，也为人工种子、细胞融合、转基因植物等奠定了基础。
3.怎样制备胡萝卜培养基（供参考）？ （1）诱导胡萝卜愈伤组织
在MS培养基［注］中加入质量分数为0.5 mg/L的6-BA和质量分数为0.5 mg/L的NAA
（2）诱导胡萝卜丛芽
在MS培养基中加入质量分数为2mg/L的KT和质量分数为0.2mg/L的NAA （3）诱导胡萝卜生根：在1/2MS培养基中加入质量分数为0.1 mg/L的NAA ［注］：MS培养基的配制方法见《选修1附录3中八》。 4.植物组织培养中的愈伤组织是如何形成及再分化的？
植物组织培养中使用的外植体一般是高度分化了的细胞，在植物体中是不会 再分裂繁殖的，只是执行某种功能直至死亡。这些细胞在培养基上培养时会由原来的分化状态，变成分生状态的细胞，分裂产生愈伤组织，这个过程称为脱分化（dedifferentiation）过程。这种转变在细胞的形态结构和生理生化上都会产生一系列变化。组织培养的研究结果表明分化细胞的脱分化需要两个条件，即创伤和外源激素。
目前人们对于脱分化过程的本质还不清楚。分化细胞在细胞周期中是处于一
种相对静止状态的细胞（G0期细胞），脱分化是要打破这种状态，使细胞进入细胞周期中的G1期，并沿着G1期→S期→G2期→M期的循环进行细胞分裂，形成愈伤组织。现在发现细胞周期受基因调控，一种称为编码细胞周期依赖性激酶CDK（cycilin dependent kinase）的基因和一种细胞周期蛋白（cyclin）可能与植物细胞脱分化的第一次分裂启动有关。那么，什么因素诱导细胞周期调控基因的作用，培养实践证明与外源激素有关。至于激素如何诱导以及诱导作用的过程目前仍不清楚，有待深入研究。分化细胞脱分化后细胞结构有两点明显的变化：一是在细胞内出现液泡蛋白；二是叶绿体转变成原质体。
当细胞脱分化形成愈伤细胞后，经过一段时期的分裂，细胞群体变成不是一
种细胞类型的均一群，又会产生分化，形成分生细胞或分生细胞团，由此再生成植株有两条途径：一是形成体细胞胚（功能类似于受精过程产生的胚），通过体细胞胚形成再生植株。二是走器官发生的途径再生植株，分生细胞在一定的诱导条件下重建芽的分生组织，分化出芽后再生根，成为完整的植株。
5.为什么要在避光条件下培养愈伤组织？
对于植物组织培养来说，光照条件非常重要，包括光照强度、时间和波长。 但在愈伤组织的诱导阶段往往要暗培养，而在分化再生的过程中一定要有光照。愈伤组织诱导阶段的暗培养有利于细胞的脱分化产生愈伤组织，如果在光照条件下容易分化产生维管等组织，不利于产生大量的愈伤组织。 6.什么是人工种子？
人工种子（artificial seed）是指通过植物组织培养的方法获得的具有正
常发育能力的材料，外面包被着特定的物质，在适宜的条件下可以发芽成苗的植物幼体。人工种子的概念中包含的“具有正常发育能力的材料”通常是指胚状体（目前国外有使用不定芽、顶芽和腋芽的），它可以由三种途径产生：
（1）由已脱分化的外植体直接产生； （2）由愈伤组织产生； （3）由悬浮细胞培养产生。
对胚状体的基本要求是：①播种后能快速出苗；②根和芽几乎同时生长，不 产生愈伤组织；③同步化程度高；④活力强；⑤形成的幼苗的形态与生长要正常。
“外面包被着特定的物质”是指人工种皮，制作人工种皮的材料有海藻酸
钠、明胶、树脂、琼脂糖、淀粉等。对人工种皮的要求是：能保持胚状体的活力，有利于贮藏运输和萌发。选取的材料要有韧性，耐压，对胚状体无毒害，含有胚状体发芽所需要的营养成分或植物激素，还应含有杀菌剂，以防播种后微生物的侵害。
人工种子目前还存在不少问题。例如，现有重要经济价值的植物产生胚状体
能力弱，难以形成同步化的有强活力的胚状体；成本较高；运输贮藏以及机械化播种问题也未解决。因此，现在很少有人以生产为目的进行人工种子的研制。 7.植物微型繁殖技术高效快速的实例有哪些？
植物脱毒（virus-free）和离体快繁（in vitro propagation）是目前植物
组织培养应用最多、最有效的方面。生产上许多无性繁殖作物均受到病毒的侵染，从而导致品种的严重退化、减产和降低品质。利用植物分生组织进行培养可以使新长成的植株脱去病毒。利用这种方法生产无病毒苗的农作物有马铃薯、甘薯、大蒜、草莓、苹果、香蕉等，并已大规模应用于生产。离体快繁技术可以使一些植物的扩增速度比常规方法快数万倍乃至百万倍，而且产生的幼苗遗传背景均一，重复性好，不受季节和地区限制。目前世界上已建成很多年产百万苗木的组培工厂，成为一种新兴产业。离体快繁技术在观赏植物、园艺植物、经济林木和无性繁殖作物上已得到广泛应用。 8.植物体细胞杂交的过程是怎样的？
体细胞杂交是克服植物有性杂交不亲和性、打破物种之间的生殖隔离、扩大
遗传重组范围的一种手段。操作过程包括：原生质体制备、原生质体融合、杂种细胞筛选、杂种细胞培养、杂种植株再生以及杂种植株鉴定等步骤。
原生质体制备是用纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶将植物细胞壁分解掉，只
留下细胞膜（质膜）包裹着细胞内含物。原生质体融合是指两个原生质体的质膜 重新组合排列形成一个质膜，其中含有两个细胞核。在细胞工程中一般是诱导融合，形成的融合细胞中所含有的两个细胞核是来自不同的物种，称之为异核体（heterokaryon）。诱导融合的手
2019-2020年人教版高中生物选修3《现代生物科技专题二细胞工程》教学设计
