人教版 (2019)选择性必修3科技探索之路 细胞工程的发展历程教学设计

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素能提升课2　细胞工程与其他相关知识的综合　植物细胞工程与其他相关知识的交汇点[素能建构]交汇点1　植物组织培养技术、植物体细胞杂交与必修课程模块1分子与细胞中“细胞的分化”“细胞的全能性”和“细胞膜的流动性”交汇考查(1)细胞全能性的原因是已分化的体细胞(或细胞核)具有本物种个体发育所需要的全部基因。(2)植物组织培养——植物细胞的全能性。(3)植物体细胞杂交——细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。交汇点2　植物组织培养技术、植物体细胞杂交与选择性必修课程模块1稳态与调节中“植物的激素调节”交汇考查(1)植物激素中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激素。(2)植物组织培养的培养基中，生长素与细胞分裂素比例适中时，有利于愈伤组织的形成；生长素/细胞分裂素比例升高，有利于根的分化；生长素/细胞分裂素比例降低，有利于芽的分化。交汇点3　植物体细胞杂交过程中原生质体的制备，与必修课程模块1中“细胞壁的化学组成和结构”和“酶的专一性”交汇考查(1)植物体细胞杂交时首先需要用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，说明植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶。(2)本质：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质。(3)合成场所：若酶的成分是蛋白质，则其合成场所是核糖体。(4)特性：具有专一性。交汇点4　植物组织培养和植物体细胞杂交与必修课程模块2中的“基因突变、染色体变异、染色体组、诱变育种、单倍体育种、多倍体育种”等交汇考查(1)若将植物细胞A(染色体数为a)和植物细胞B(染色体数为b)杂交，经组织培养形成的杂种植物中体细胞染色体数为a＋b。从生殖方式上来看属于无性生殖。(2)花药离体培养——单倍体育种——染色体数目变异。(3)愈伤组织诱变处理——诱变育种——基因突变。[对点训练]1．甲、乙两名同学分别以某种植物的绿色叶片和白色花瓣为材料，利用植物组织培养技术繁殖该植物。回答下列问题：(1)以该植物的绿色叶片和白色花瓣作为外植体，在一定条件下进行组织培养，均能获得试管苗，其原理是__________________。(2)甲、乙同学在诱导愈伤组织所用的培养基中，均加入一定量的蔗糖，蔗糖水解后可得到____________。若要用细胞作为材料进行培养获得幼苗，该细胞应具备的条件是________________(填“具有完整的细胞核”“具有叶绿体”或“已转入抗性基因”)。(3)图中A、B、C所示的是不同的培养结果，该不同结果的出现主要是由于培养基中两种激素用量的不同造成的，这两种激素是________________。A中的愈伤组织是叶肉细胞经________形成的。(4)若该种植物是一种杂合子的名贵花卉，要快速获得与原植株基因型和表型都相同的该种花卉，可用组织培养方法繁殖，在培养时，________(填“能”或“不能”)采用经减数分裂得到的花粉粒作为外植体，原因是____________。[解析]　(1)植物细胞(如绿色叶片细胞和白色花瓣细胞)一般都具有全能性，故用它们作为外植体，在一定条件下进行组织培养，均能获得试管苗。(2)蔗糖是二糖，水解产生的单糖是葡萄糖和果糖。离体细胞可经培养形成完整植株，是因为该细胞的细胞核中含有控制其生长发育的全部遗传信息。离体的细胞全能性的体现与是否含叶绿体或是否转入抗性基因无关。(3)离体植物细胞的发育方向与生长素和细胞分裂素的用量不同有关。若生长素与细胞分裂素用量比值高，则促进生根；若生长素用量与细胞分裂素用量比值低，则诱导长出丛芽；若生长素用量与细胞分裂素用量比值适中，则促进愈伤组织的形成。离体的叶肉细胞可经脱分化形成愈伤组织，再经再分化形成试管苗。(4)欲快速获得保持优良性状的杂合体的名贵花卉，可用组织培养方法繁殖，但应采用体细胞作为外植体，而不采用经减数分裂得到的花粉粒作为外植体，因为花粉粒的基因型与体细胞的基因型不同，用花粉粒进行组织培养得到的花卉的基因型不同于原植株的。[答案]　(1)绿色叶片和白色花瓣的细胞具有全能性，在一定条件下能发育成完整的植株　(2)葡萄糖、果糖　具有完整的细胞核　(3)细胞分裂素、生长素　脱分化　(4)不能　对杂合子的植株来说，其体细胞的基因型相同，而花粉粒的基因型与体细胞的基因型不同。用花粉粒进行组织培养得到的花卉的基因型不同于原植株的2．将基因型为AaBb的水稻(具有24条染色体)的叶肉细胞通过无菌操作接入含有全部营养成分的培养基的试管中，在一定条件下形成试管幼苗，其过程如下图所示：―→(1)图中的①叫________，图中的②叫________，②过程所需要的条件有_____________________________________________。(2)在形成愈伤组织的过程中，必须不断地从培养基中获得________、________和小分子有机物等营养物质。(3)如果④是无病毒植株，则水稻的细胞应选用________或________细胞。其培养成的植株的基因型为________。(4)如果某种细胞选用的是水稻花粉细胞，则④称为________。基因型可能是________________。植株特点为________________，需用________处理，使其恢复正常体细胞染色体数，其基因型为_____。[解析]　(1)题图表示植物组织培养过程，其中①表示脱分化，②表示再分化，②过程所需要的条件有光照、温度、一定的营养物质和激素。(2)植物组织培养的培养基中包含无机营养成分、有机营养成分、激素和琼脂等，因此在形成愈伤组织的过程中，必须不断地从培养基中获得水分、无机盐和小分子有机物等营养物质。(3)如果④是无病毒植株，则应选用茎尖、根尖细胞，原因是这部分组织分生能力强，带有的病毒少；④是基因型为AaBb的水稻植株的体细胞植物组织培养形成的，其基因型与该水稻植株相同，即为AaBb。(4)如果某种细胞选用的是水稻花粉细胞，则④称为单倍体。基因型可能是aB、ab、Ab、AB，单倍体植株的特点为植株弱小，高度不育，需用一定浓度的秋水仙素处理，使得染色体数目加倍，其基因型为aaBB、aabb、AAbb、AABB。[答案]　(1)脱分化　再分化　光照、温度、一定的营养物质和激素　(2)水分　无机盐　(3)茎尖　根尖　AaBb　(4)单倍体　aB、ab、Ab、AB　植株弱小，高度不育　秋水仙素　aaBB、aabb、AAbb、AABB3．科学家利用植物体细胞杂交技术成功获得了番茄—马铃薯杂种植株，为了便于杂种细胞的筛选和鉴定，科学家利用红色荧光和绿色荧光分别标记番茄和马铃薯的原生质体膜上的蛋白质，其培育过程如图所示：(1)植物体细胞杂交依据的生物学原理有___________________。(2)过程①常用的酶是__________________，细胞融合完成的标志是________。(3)在鉴定杂种原生质体时可用显微镜观察，根据细胞膜表面荧光的不同可观察到________种不同的原生质体，当观察到_______时可判断该原生质体是由番茄和马铃薯的原生质体融合而成的。(4)过程③和过程④依次为______________，过程④中的培养基常添加的植物激素是______________。(5)若番茄细胞中有m条染色体，马铃薯细胞中有n条染色体，则“番茄—马铃薯”细胞在有丝分裂后期有__________条染色体。若杂种细胞培育成的“番茄—马铃薯”植株为四倍体，则此杂种植株的花粉经离体培养得到的植株属于________倍体植株。[解析]　(1)植物体细胞杂交就是将不同种植物的体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，再利用植物组织培养技术把杂种细胞培育成新的植物体的技术，所以植物体细胞杂交依据的生物学原理有细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。(2)过程①是去除植物细胞的细胞壁获得原生质体，而植物细胞细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，依据酶的专一性，常用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。细胞融合完成的标志是杂种细胞再生出新的细胞壁。(3)依题意，科学家利用红色荧光和绿色荧光分别标记番茄和马铃薯原生质体膜上的蛋白质，所以融合后根据细胞膜表面呈现荧光的不同可观察到3种不同类型的原生质体：红色荧光标记的番茄原生质体及其融合后的原生质体、绿色荧光标记的马铃薯原生质体及其融合后的原生质体、红色荧光和绿色荧光共同存在的番茄与马铃薯的原生质体融合后所形成的原生质体。当观察到融合的细胞表面既有红色荧光又有绿色荧光时，可判断该原生质体是由番茄和马铃薯的原生质体融合而成的。(4)过程③表示将杂种细胞培育成愈伤组织，属于植物组织培养过程中的脱分化；过程④表示将愈伤组织培育成植物体，该过程属于再分化，培养基常添加的植物激素是生长素和细胞分裂素。(5)杂种细胞的染色体数为融合前两种细胞染色体数之和，即(m＋n)条。“番茄—马铃薯”细胞在有丝分裂后期，着丝粒分裂、姐妹染色单体分开，使得杂种细胞中的染色体数目加倍为2(m＋n)条。杂种植株的花粉经离体培养形成的植株属于单倍体。[答案]　(1)细胞膜的流动性、植物细胞的全能性(2)纤维素酶和果胶酶　形成新的细胞壁(3)3　融合的细胞表面既有红色荧光又有绿色荧光(4)脱分化和再分化　生长素和细胞分裂素(5)2(m＋n)　单　动物细胞工程与其他相关知识的交汇点[素能建构]交汇点1　动物细胞培养与必修课程模块1中“细胞的有丝分裂”“酶的专一性”“细胞膜的成分和功能”“细胞分化和细胞的全能性”等交汇考查，与选择性必修模块1中“内环境的成分和理化性质”交汇考查(1)动物细胞培养的原理是细胞增殖。(2)动物细胞之间有胶原蛋白、弹性蛋白、纤黏蛋白等成分，用胰蛋白酶处理，才能分解这些蛋白质。(3)动物细胞贴壁生长是由于动物细胞膜上有糖蛋白，使细胞具有黏着性。培养的动物细胞出现接触抑制说明细胞膜能进行细胞之间的信息交流，并将信息传递到细胞核。(4)干细胞能够增殖并分化成其他类型的细胞。(5)动物细胞培养的培养液的成分和理化性质都与内环境相似。交汇点2　动物体细胞核移植与必修课程模块1中的“动物细胞核的全能性”，必修课程模块2中“减数分裂”“细胞核遗传和细胞质遗传”等交汇考查(1)体细胞核移植说明动物细胞的细胞核具有全能性。(2)体细胞核移植中卵母细胞应培养到减数第二次分裂中期。(3)克隆动物的细胞核基因来自供体细胞，细胞质基因来自供体细胞和卵母细胞。交汇点3　动物细胞融合技术与单克隆抗体与必修课程中“细胞膜的结构特点”“癌细胞的特点”和选修课程模块1中“体液免疫”等知识交汇考查(1)动物细胞融合的原理是细胞膜的流动性。(2)骨髓瘤细胞能够无限增殖，具有癌细胞的特点。(3)受到抗原刺激后动物体内的B淋巴细胞能够增殖分化成为浆细胞，浆细胞能够产生抗体。[对点训练]1．研究人员利用成年鼠嗅黏膜制备的嗅鞘细胞，在添加不同浓度血清的培养基中培养并测量其细胞生长(增殖)情况，实验结果如图所示。请据图分析回答：(1)将获取的嗅黏膜用剪刀剪碎，并用某种酶处理一段时间，该操作的生物学意义是________________，以便制成细胞悬液。该过程中，所使用的酶主要是________________。(2)将获得的细胞悬液及时离心，将分离得到的细胞加入适量的培养基，摇匀后再离心获取细胞，这样操作的意义主要是去除____________________，以免其对细胞正常的生命活动造成影响。将获得的细胞用特定培养基置于培养箱内培养。进行原代培养时，细胞增殖的方式是________。(3)据实验结果可知，当培养基中血清浓度为40%～80%时，随血清浓度升高，对细胞生长的促进作用不断_______(填“增强”或“减弱”)。[解析]　(1)用剪刀将组织剪碎，并将剪碎的组织用酶处理一段时间，使细胞充分分散开来；实验中通常选用胰蛋白酶或胶原蛋白酶来处理动物组织。(2)细胞膜和细胞内部都含有蛋白质，如果将动物细胞长期接触胰蛋白酶或胶原蛋白酶，可能会造成动物细胞结构被破坏；原代培养中，动物细胞进行的是有丝分裂。(3)当培养液中血清浓度为40%～80%时，血清对细胞生长仍有促进作用，但随着血清浓度的升高，对细胞生长的促进作用不断减弱。[答案]　(1)使细胞分散开来　胰蛋白酶或胶原蛋白酶　(2)胰蛋白酶或胶原蛋白酶　有丝分裂　(3)减弱2．现今，禽流感疫情有逐渐蔓延的趋势，有些国家还出现了人感染的病例。现在，科学家们已陆续从病死的家禽和候鸟体内分离得到了H5N1亚型禽流感病毒，若要生产可以用于预防和治疗禽流感的抗体，请根据下面的单克隆抗体制备过程示意图回答有关问题：(1)若A细胞是小鼠骨髓瘤细胞，则B细胞是取自___________体内的______________细胞，促进d过程的常用诱导剂是________或________。(2)假设仅考虑某两个细胞的融合，则可形成________种类型的C细胞。因此需用________培养基筛选出________________(填特点)的D细胞用于培养。D细胞的名称是________。(3)目前注射禽流感疫苗是预防禽流感的一种措施。我们已经知道，决定禽流感病毒在人体细胞中增殖变化的物质是________，而决定其抗原特异性的物质位于________。据此分析制备禽流感疫苗的主要思路：________________。[解析]　(1)若A细胞是小鼠骨髓瘤细胞，则B细胞是已免疫的B淋巴细胞(浆细胞)，取自被H5N1亚型禽流感病毒感染的动物或人。促进d过程细胞融合常用的诱导剂是聚乙二醇(PEG)或灭活的病毒。(2)假设仅考虑某两个细胞的融合，则可形成3种类型的C细胞，分别是B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合成的杂交瘤细胞、B淋巴细胞相互融合形成的细胞、骨髓瘤细胞相互融合形成的细胞。因此需用选择培养基筛选出D杂交瘤细胞，其特点是既能无限增殖又能产生特异性抗体。(3)决定禽流感病毒在人体细胞中增殖变化的物质是病毒的RNA，而决定其抗原特异性的物质位于病毒的衣壳上。因此制备禽流感疫苗的主要思路是将禽流感病毒灭活或减毒(或利用基因工程技术生产禽流感病毒的衣壳蛋白)。[答案]　(1)感染病毒的动物或人　已免疫的B淋巴　聚乙二醇(PEG)　灭活的病毒　(2)3　选择　既能无限增殖又能产生特异性抗体　杂交瘤细胞　(3)病毒的RNA　病毒的衣壳上　将禽流感病毒灭活或减毒(或利用基因工程技术生产禽流感病毒的衣壳蛋白)3．科学家通过转基因技术获得了含有人生长激素基因的奶牛，如果要加速转基因奶牛的繁殖速度，可以对此转基因奶牛进行克隆(如图所示)。(1)在进行细胞培养之前，要对取自转基因奶牛的组织进行分离，形成单个细胞，这一过程中需要利用________酶处理。不能用纤维素酶与果胶酶的原因是______________。(2)转基因奶牛的克隆成功，说明动物的________具有全能性。(3)将进行细胞培养的供体细胞注入去核的卵母细胞中，去掉卵母细胞细胞核的目的是____________________________________。(4)将重组细胞在培养液中培养成的重组胚胎移入受体母牛体内，就会生出与供体奶牛遗传性状相同的犊牛，但也有可能出现性状上的某些差异，原因可能是_________________________________。(5)利用体细胞核移植技术得到的克隆牛从生殖方式上看属于________(填“有性生殖”或“无性生殖”)。[解析]　(1)对动物组织进行分离，用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理，才能形成单个细胞。因为酶具有专一性，所以植物细胞工程中的纤维素酶和果胶酶不能将动物细胞分开。(2)克隆动物的成功证明了动物细胞的细胞核具有全能性。(3)去掉卵母细胞的细胞核后，重组细胞的遗传物质主要来自供体细胞的细胞核，其性状主要由供体细胞的细胞核物质决定。(4)由重组细胞发育而来的犊牛与供体牛的性状不完全相同，因为重组细胞的遗传物质主要来自供体细胞核，少量来自卵母细胞的细胞质，性状还受到环境的影响。(5)体细胞核移植没有经过两性生殖细胞的结合，所以从生殖方式上来看属于无性生殖。[答案]　(1)胰蛋白(或胶原蛋白)　酶具有专一性(2)细胞核　(3)使犊牛的性状主要由供体细胞核物质决定　(4)①生物的性状受到细胞核和细胞质物质的共同控制；②生物的性状还受环境因素的影响　(5)无性生殖　胚胎工程与其他相关知识的交汇点[素能建构]交汇点1　胚胎工程的理论基础与必修课程模块2中的“减数分裂、受精作用”和必修课程模块1中“细胞分裂、细胞分化”交汇考查(1)减数第一次分裂的主要特征：同源染色体先联会，后分离；结果导致染色体数目减半。(2)减数第二次分裂的主要特征：染色体不再复制；每条染色体的着丝粒分裂，姐妹染色单体分开，分别移向细胞两极。(3)受精作用使受精卵中的染色体数目又恢复到体细胞数目，减数分裂和受精作用对于维持每种生物前后代体细胞中染色体数目的恒定，对于生物的遗传和变异，都是十分重要的。(4)在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态结构和生理功能上发生稳定性差异的过程叫细胞分化。细胞分化的原因是细胞内基因进行了选择性表达。交汇点2　胚胎工程技术及应用与选择性必修模块1中“免疫调节”交汇考查(1)免疫类型：人体的免疫分为非特异性免疫和特异性免疫，特异性免疫又包括体液免疫和细胞免疫。(2)抗原：能够引起机体产生特异性免疫反应的物质。(3)免疫过程：①体液免疫：B细胞受抗原刺激后增殖、分化，大部分分化为浆细胞，产生抗体，少部分分化为记忆细胞。②细胞免疫：细胞毒性T细胞受抗原刺激后，分化形成新的细胞T细胞，毒性T细胞裂解被抗原入侵的宿主细胞。[对点训练]1．中山大学眼科中心主任葛坚领导的研究小组培育成了猴鼠嵌合体——“猴鼠”，期待将成果用于人体角膜等组织或器官的移植。回答下列问题：(1)人体器官移植面临的主要问题有供体器官短缺和________，目前临床上通过应用免疫抑制剂抑制________的增殖来提高器官移植的成活率。(2)①过程中，培养基需通过____________________________来保证无菌、无毒环境，然后加入诱导因子，作用是_______________。再将皮肤干细胞注入小鼠囊胚的________部位，最终培养成组织或器官。(3)实验中雌鼠和代孕母鼠需要同时注射激素，在操作上称为______________。②过程中，所选代孕母鼠应满足的条件是______。(4)研究发现猴鼠嵌合体的器官可替代人体器官，但其表面的某些抗原决定簇仍可引起排异。为此，科学家在猴鼠嵌合体基因组中，导入某些调节因子对器官进行改造并取得成功，所导入调节因子的作用是____________________。[解析]　(1)人体器官移植面临的主要问题有供体器官短缺和免疫排斥，目前临床上通过应用免疫抑制剂抑制T细胞的增殖来提高器官移植的成活率。(2)①过程中，培养基需通过添加一定量的抗生素并定期更换培养液来保证无菌、无毒环境，然后加入诱导因子，作用是促使皮肤细胞恢复分裂增殖能力。再将皮肤干细胞注入小鼠囊胚的内细胞团部位，最终培养成组织或器官。(3)实验中雌鼠和代孕母鼠需要同时注射激素，在操作上称为同期发情处理。②过程中，所选代孕母鼠应满足的条件是同种、健康、生理状态相同的其他雌鼠。(4)研究发现猴鼠嵌合体的器官可替代人体器官，但其表面的某些抗原决定簇仍可引起排异。为此，科学家在猴鼠嵌合体基因组中，导入某些调节因子对器官进行改造并取得成功，所导入调节因子的作用是抑制抗原决定簇基因的表达。[答案]　(1)免疫排斥　T细胞　(2)添加一定量的抗生素并定期更换培养液　促使皮肤细胞恢复分裂增殖能力　内细胞团　(3)同期发情处理　同种、健康、生理状态相同的其他雌鼠　(4)抑制抗原决定簇基因的表达2．某课题组为解决本地纯种牛产奶量低的问题，引进了含高产奶基因但对本地适应性差的纯种公牛。(1)拟进行如下杂交：A(具高产奶基因的纯种)×♀B(具适宜本地生长基因的纯种)―→C选择B作为母本，原因之一是胚胎能在母体内正常________。若C中的母牛表现为适宜本地生长，但产奶量并未提高，说明高产奶是________性状。为获得产奶量高且适宜本地生长的母牛，根据现有类型，最佳杂交组合是________，后代中出现这种母牛的概率是________(假设两对基因分别位于不同对常染色体上)。(2)用以上最佳组合，按以下流程可加速获得优良个体。精子要具有受精能力，需对其进行________处理；卵子的成熟在过程________中完成。在过程④的培养基中含有葡萄糖，其作用是________。为筛选出具有优良性状的母牛，过程⑤前应鉴定胚胎的________。子代母牛的优良性状与过程________的基因重组有关。[解析]　(1)用具有适宜本地生长基因的纯种母牛作母本的原因之一是胚胎能在母体内正常生长发育。设控制产奶量高低的基因分别用T、t表示，控制适应性强弱的基因分别用R、r表示。杂交后代C中的母牛表现为适应性强但产奶量并未提高，说明高产奶、低适应性均为隐性性状，则推导出A的基因型为ttrr，B的基因型为TTRR，C的基因型为TtRr。通过回交，即C牛与A牛杂交(TtRr×ttrr)，获得高产奶量且适应性强的母牛的概率为1/2×1/2×1/2＝1/8。(2)在体外受精过程中，从供体公牛获得的精子经获能处理后，才具有受精能力。从供体母牛采集的卵子经培养达到MⅡ中期后在与精子受精过程中最终成熟。由于受精作用的随机性，为筛选出具有优良性状的母牛，在胚胎移植前应鉴定胚胎的性别、是否具有高产奶基因和适应本地生长的基因。由于公牛为隐性纯合子，所以子代母牛的优良性状与供体母牛减数分裂产生卵子的过程中的基因重组有关。[答案]　(1)生长发育　隐性　♂A×♀C　1/8　(2)获能　③　供能　性别、高产奶和适宜本地生长的基因　②