高中生物选修3全套教案.doc

《现代生物科技专题》（人教版选修3）

专题一 基因工程
第一节 基因工程的简介
教学目标：
1．知识方面
（1）了解基因工程的基本概念。
（2）基因操作的工具和基本操作程序。
（3）举例说出基因工程在农业、医药等领域的应用。
2．态度价值观方面
（1）通过学习基因工程的概念，使学生认识到科学研究需要的严谨，激发为祖国而奋斗的精神。
（2）通过学习基因操作的工具和基本程序及应用，使学生树立结构与功能相统一的辩证唯物主义观念。
3．能力方面
（1）通过对图片、动画等的观察，让学生学会科学的观察方法，培养观察能力。
（2）通过利用课本以外的资料和网络信息解决学习中发现的问题，培养学生的自主学习的能力。
（3）通过多媒体课件对基本概念、基本原理的学习，引导学生主动参与教学过程的探究活动，培养学生的获取新知的能力、分析和解决问题的能力及交流与合作的能力。
教学重点：基因操作的工具和基本程序及应用。
教学难点：
1．限制酶和运载体的作用。
2．提取目的基因的方法和目的基因导入受体细胞的途径。
3．基因工程的应用。
教学方法：以探究法、谈话法、材料教学法相结合。
具体方法：
1．以具体事例讲述，学生制作模型，使学生切身体会基因工程“剪、拼、接、转”的主要过程。
2．搜集资料，采用思考、分析、想像、推断和辩论等方法，明确基因工程的应用。
教学课时：3课时
教学过程：
[第一课时]：DNA重组技术的基本工具
一．复习导入新课
教师活动：投影幻灯片，引导学生思考、分析讨论。
1．遗传的物质基础是什么？
2．生物体遗传的基本单位是什么？
3．为什么生物界的各种生物间的性状有如此大的差别呢？
4．生物的性状是怎样表达的？
5．各种生物的性状都是基因特异性表达的结果，那么，人类能不能改造基因呢？使原来本身没有某一性状的生物而具有某个特定的性状呢？
6．各种生物间的性状千差万别，这是为什么呢？
引导学生回答：生物体的不同性状是基因特异性表达的结果。
教师举例：
1．青霉菌能产生对人类有用的抗生素——青霉素
2．豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮气
3．人的胰岛B细胞能分泌胰岛素调节血糖的浓度
教师提问：以上几种生物各有其特定的性状，这些性状都是基因特异性表达的结果。但是人类能不能改造基因呢？
在引导学生思考、探究的同时引出本节课题。
二、讲授新课
1．基因工程的概念：
课前布置学生自学教材上的知识内容，让学生理解基因工程的概念，并引导学生回答表中内容。
基因工程的别名
基因拼接技术或DNA管理费用技术
操作环境
生物体外
操作对象
基因
操作水平
DNA分子水平
基本过程
剪切——拼接——导入——表达
结果
人类需要的基因产物

教师活动：投影问题引导学生讨论，引出基因操作的工具。
基因工程的操作水平是在DNA分子水平进行的，所以用普通的操作工具能够在如此微观的条件下操作吗？
2．基因操作的工具
基因工程培育抗虫棉的简要过程
苏云金芽孢杆菌（有抗虫特性）
提取
抗虫基因
普通棉花（无抗虫特性）
棉花细胞（含抗虫基因）
与运载体DNA
拼接、导入
棉花植株（有抗虫特性）
教师活动：投影基因工程抗虫棉的简要过程。（见下表）

学习探究1：在基因工程培育抗虫棉的过程中，关键步骤或难点是什么？
学生活动：分析、讨论，学生与教师共同对基因工程关键归纳总结。
关键步骤一：抗虫棉从苏云金孢杆菌细胞内提取。
关键步骤二：抗虫基因与运载体DNA拼接。
关键步骤三：抗虫基因进入棉花细胞。
学习探究2：怎样才能在苏云金芽孢杆菌DNA分子中的众多基因中找到所需抗虫基因呢？又怎样将它从DNA长链中提取出来？又如何将提取出的抗虫基因与棉花细胞的DNA结合在一起呢？
引导学生探究、分析、总结：
（1）“分子手术刀”又叫基因剪刀——限制性内切酶
① 分布：主要在微生物中
② 作用特点：特异性，即识别特定的核苷酸序列，切割特定的切点。
③ 结果：产生黏性末端（碱基互补配对）。
播放投影幻灯片的实例。
限制酶切割DNA分子示意图
C
︱
G
A A T T
G
︱
C
T T A A
︱ ︱ ︱ ︱
黏性末端
T T A A
G
|
C
C
︱
G
A A T T

（2）“分子缝合针”又叫基因针线——DNA连接酶
① 连接部位：磷酸二酯键。
DNA连接酶作用示意图
C
︱
G
A A T T
G
︱
C
T T A A
︱ ︱ ︱ ︱
② 结果：两个相同的黏性末端的连接。

学习探究3：用DNA连接酶连接两个相同的黏性末端要连接几个磷酸二酯键？用限制性内切酶切一个特定基因要切断几个磷酸二酯键？
（3）“分子运输车”又叫基因的运输工具——基因进入受体细胞的载体
① 作用：将外源基因送入受体细胞。
② 具备的条件：能在宿主细胞内复制并稳定地保存；具有多个限制酶切点；具有某些标记基因。
③ 种类：质粒、噬菌体和动植物病毒。
④ 质粒的特点：
质粒是基因工程中最常用的运载体；
最常用的质粒是大肠杆菌的质粒；
是细胞染色体外能自我复制的小型环
状DNA分子；
质粒的大小只有普通细菌染色体的1%
左右；
存在于许多细菌及酵母菌等微生物中；
质粒的存在对宿主细胞生存没有决定
性的作用；
质粒的复制只能在宿主细胞内完成。
（自身细胞中也可）

学习探究4：
1、质粒上会存在某些标记基因，这些标记基因有什么用途？
2、要想将某个特定基因与质粒相连，需要用几种限制性内切酶和几DNA连接酶处理？
课堂小结：基因工程的概念和的基本操作工具。

课后记：
本节课主要学习基因工程的基本概念和基因工程的基本操作工具，学生能充分利用自己查找和老师提供的教学资料进行学习探究，效果较好。但学生在质粒的认识上还有待进一步提高。下节课应重新启发学生复习有关知识，提高学生的认知能力。

[第二课时]基因工程的基本操作程序

一、复习巩固，引出课题
教师活动：以谈话的方式提出下列问题
1、什么是基因工程？
2、基因工程的工具酶有几种？分别是什么？
3、基因的剪刀是什么？其主要作用是什么？
4、基因的针线是什么？其主要作用是什么？
5、基因的运输工具是什么？
6、运载体必须具备的条件是什么？最常用的运载体是什么？
7、质粒的结构是什么？
学习探究1：有了基因操作的工具后，对基因是如何进行操作的呢？
二、讲授新课
引导学生按幻灯片中提供的问题进行阅读课文提供的材料，并讨论、分析有关基因工程操作的基本程序。
① 举例说明什么是目的基因？
② 从供体细胞DNA中直接分离基因的方法叫什么？
③ 人工合成基因的方法有几种？其操作过程分别是怎样的？
④ 将目的基因与用限制内切酶处理后的运载体混合并用DNA连接酶处理后会出现几种结果？
⑤ 将目的基因的重组质粒导入细胞受体细胞的过程常用哪种化学试剂？其目的是什么？
⑥ 在目的基因的检测过程中，检测的对象是什么？
通过观看材料，思考问题，引起师生在相关知识点上的共鸣。
（1）目的基因的提取：
① 途径：从供体细胞的DNA基因文库中直接提取目的基因（一般用于原核生物）；人工合成目的基因（一般用于真核生物）。
“鸟枪法”——优点：操作简单。缺点：操作量大，盲目性大
③ 方法： 逆转录法：
直接合成法——PCR技术
基本操作方法见下图：

鸟枪法的过程
供体细胞中DNA
限制酶
许多DNA片段
载入
运载体
导入
受体细胞
外源DNA扩增
产生特定性状
分离
目的基因
逆转录法的过程
目的基因的mRNA
逆转录酶
单链DNA
合成
双链DNA
（目的基因）
根据已知氨基酸序列合成DNA的过程
蛋白质的氨基酸序列
推测
mRNA的核苷酸序列
推测
结构基因的核苷酸序列
化学合成
目的基因

质粒 DNA分子
同一种限制酶处理
一个切口的
两个黏性末端
两个切口的
获得目的基因
DNA连接酶
重组DNA分子（重组质粒）

（2）目的基因与运载体结合：

学习探究：目的基因与运载体的结合的结果可能有向种情况？
受体细胞：细菌
氯化钙
细胞壁的通透性增大
重组质粒进入受体细胞
目的基因随受体细胞的繁殖而复制
引导学生探究，归纳总结出相关内容。
（3）将目的基因导入受体细胞：
导入方法：借鉴细菌或病毒侵入细胞的途径。
导入过程：运载体为质粒，受体细胞为细菌。

（4）目的基因的检测和表达：
引导学生生教材的有关内容，使学生明确检测与表达的区别，并可按以下形式归纳。
检测：通过检测标记基因的有无来判断目的基因是否导入。
表达：通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。

教学小结：引导学生复述。
课后记：本节教学重点、难点是理清目的基因导入受体细胞及是否已导入、导入后是否得到了表达。通过学习探讨，学生基本上能掌握本节的知识内容。但还未能熟练掌握本节的知识要领，这将运用练习来进一步加以巩固。

[第三课时] 基因工程的应用

复习基因工程的操作的基本程序和重要工具。
检查课前收集到的有关基因工程应用的实例。（以学生汇报形式展示各自收集到的资料）
通过资料、教学图片展示，引出课题。
1982年，帕尔蒂曼和布林斯坦等人构建了大鼠金属硫蛋白和人的生长激素融合基因，生产出生长速度比正常小鼠快一倍的超级小白鼠。此后，许多实验室用人、猪、羊和牛的生长激素基因生产转基因小鼠时，都获得了类似结果。1988年，西曼克等人用猪的生长激素和大鼠MT融合基因，生产出生长快、瘦肉率高和表现正常的转基因猪。
印发基因工程研究的现状资料（另见材料），引导学生阅读。
学习探究：
1．人类在基因工程领域取得了哪些成就呢？
2．基因工程在环境保护过程中有何作用？
通过学生汇报，讨论、分析、概括如下：
一、基因工程与医药卫生：
1．生产基因工程药品：胰岛素、干扰素等。
2．用于基因诊断与基因治疗：概念见课件。
二、基因工程与农业、食品工业：
1．农业上的应用：
（1） 培育高产、稳质和具有优良品质的农作物。
（2） 用基因工程的方法培养出具有各种抗逆性的作物新品种。
2．畜牧业上的应用：
（1）培育人们所需要的各种优良品质的转基因动物。
（2）利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内表达。
3．食品工业上的应用：为人类开辟新的食物来源。
三、基因工程与环境保护：
1． 环境监测：运动DNA分子杂交的方法进行检测。
特点：快速、灵敏、精确、高效。
2． 环境净化。

课堂小结：让学生交流对基因工程学习的体会，明确基因工程的前景和安全性。
课后记：本节课通过学生汇报、交流各自的材料收集，共同探讨知识的相关内容，课堂气氛活跃，从争辩中获取相关知识要点。但有极个别的学生对资料的收集不够，仍需进一步引导。

第二节 蛋白质工程的崛起
教学目标
1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。
2.简述蛋白质工程的原理。
3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。
教学重点和难点
1.教学重点
（1）为什么要开展蛋白质工程的研究？
（2）蛋白质工程的原理。
2.教学难点：蛋白质工程的原理。
教学方法：探究法、导读法、分析交流
具体做法：
1.建议采用“问题—探究—新问题—再探究”的教学模式。
带领学生回忆原有知识：要想让一种生物的性状在另一种生物中表达，在种内可以用常规杂交育种的办法实现，但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流，就显得力不从心了。基因工程的诞生，为克服这一远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望。于是取得了丰硕成果：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物，烟草植物体内含有了某种药物蛋白……至此，人们也只是实现了世界上现有基因在转基因生物中的表达。但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的需要。为了加深这一点的认识，可调动学生从书中找实例（干扰素例子、工业用酶的例子）加以佐证。于是要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。
2.建议加强与已有知识的联系，用逆向思维的方法解决新问题。
既然蛋白质的功能是由DNA决定的，那么要
制造出新的蛋白质，就要改造DNA。所以蛋白质
工程的原理应该是中心法则的逆推。
教学课时：1课时
教学过程：
复习旧课，导出新课题：
学习探究：
1、基因工程的实质是什么？
2、基因工程的基本操作程序有哪些？
3、通过基因工程产生的蛋白质都是属于自然界的蛋白质，即各种生物经过漫长的进化过程中形成的。
随着人们生活的改变，自然界现在的蛋白质不一定能满足人 类生产和生活的需要，那么，有什么办法可以获得人类所需的蛋白质呢？
4、什么是蛋白质工程？
引导学生认真阅读课文中的材料，引出课题。
一、蛋白质工程的概念：
根据蛋白质工程的概念，关注两方面的内容：
1、蛋白质工程的基础：基因工程。
2、蛋白质工程的实质：按意愿产生人们所需要的蛋白质。
学习探究：
1、对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过参基因的操作来实现呢？
2、蛋白质工程是怎样进行的呢？
二、蛋白质工程的基本原理：
1、蛋白质工程的目标：按人们对蛋白质功能的特定要求，对蛋白质的结构进行分子改造和设计。
2、蛋白质合成的基本方法：
通过人工的方法，先确定所需蛋
白质的基本功能，再按逆向推出相关基因的基本组成，再进行转录和翻译得到所需蛋白质。
3、蛋白质工程的基本途径：
确定蛋白质功能→应有的蛋白质高级结构→应具备的折叠状态→推测氨基酸序列→找到或合成相应的碱基序列（基因）→改造的蛋白质
4、实施蛋白质工程的前提条件：了解蛋白质的结构和功能
三、蛋白质改造的方法：基因定点诱变技术、重组DNA技术
1、制造出自然界中不存在的全新蛋白质——大改
根据氨基酸性质和特点来改造，使之具有特定氨基酸序列、空间结构和预期功能。
2、在蛋白质分子中替代一个肽段或一个特定的结构——中改
3、改造蛋白质分子中的几个氨基酸的残基——小改
通过基因工程的定点诱变技术，有目的改造，以改善蛋白质的性质和功能。
引导学生阅读课文材料，探讨蛋白质工程在人类生活中的实际应用及进展情况。最后经分析讨论，得出相关结论。
四、蛋白质质工程的应用：
1、提高蛋白质的热稳定性：主要是改造酶的结构，提高酶的热稳定性
主要用于工业化生产
（1）替换酶的部分氨基酸；
（2）引入二硫键
2、改变蛋白质的活性
3、合成嵌合抗体，用于临床治疗
五、蛋白质工程的进展和前景：

课堂小结：蛋白质工程的基本原理
课后记：
本节内容少，且在已有知识的基础上较易掌握。关键在明确所需蛋白质的功能，找出相关的基因结构即可。

辅助材料：
蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段。
在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。
下面举一个如何通过蛋白质工程来提高重组β-干扰素专一活性和稳定性的例子。干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为106 U/mg，只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的β-干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，β-干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第17位、31位和141位），推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的β-干扰素的抗病性活性提高到108 U/mg，并且比天然β-干扰素的贮存稳定性高很多。
在基础理论研究方面，蛋白质工程是研究多种蛋白质的结构和功能、蛋白质折叠、蛋白质分子设计等一系列分子生物学基本问题的一种新型的、强有力的手段。通过对蛋白质工程的研究，可以深入地揭示生命现象的本质和生命活动的规律。

专题二 细胞工程
第一节 植物细胞工程
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。
过程
原生质体制备：
用酶解法去除细胞壁。
纤维素酶
果胶酶
原生质体融合：
膜融合
核融合
：高钙、高PH诱导膜融合
：杂种细胞第一次有丝分裂时融合
方法：
物理方法
化学方法
：离心、振动、电刺激
：聚乙二醇（PEG）
机械法、生理法、遗传法
杂种细胞的筛选和培养：
杂种植株的再生与鉴定：
由愈伤组织再培养出杂种植株的过程。
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：

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）。诱导融合的手段有化学诱导和物理诱导。在诱导因素的作用下形成的融合细胞进一步产生核融合，进行第一次有丝分裂。杂种细胞的筛选方法有：①细胞系互补的选择方法，包括叶绿素缺失互补、营养缺陷互补和抗性互补等；②利用物理特异性差异的选择方法：这是利用两个原生质体物理特异性差异的一种选择，包括原生质体的大小、颜色、浮密度等的不同来选择；③利用生长特异性差异的选择方法。需要注意的是上述选择方法只适合部分杂交细胞的情况，有时无法选择，就不加选择地进行培养和再生成植株，然后对再生植株的杂种性状进行鉴定。杂种细胞培养方法与原生质体的培养方法相似。体细胞杂种的鉴定方法有：①形态学鉴定。利用杂种植株与双亲在表现型上的差异进行比较分析，如叶片大小与形状，花的形状与颜色、叶脉、叶柄、花梗及表皮毛有无等；②细胞学鉴定。杂种植株细胞中的染色体数目是否比任何一方亲本细胞中的染色体数目增多？理论上讲如果染色体不丢失，杂种细胞中染色体数目应为双亲染色体数目之和。也可以用基因组原位杂交的分子细胞学方法进行鉴定；③同功酶鉴定。同功酶是功能相同的酶的多重分子形态，它们是特异基因的产物。杂种细胞中的同功酶谱一般是双亲酶谱之和，但有时也会出现双亲没有的新带；④分子生物学鉴定。常用的方法有限制性片段长度多态性（RFLP）、随机扩增多态性（RAPD）和扩增片段长度多态性（AFLP）等。
值得注意的是体细胞杂交尚存在一些问题：①亲缘关系越远，染色体排斥丢
失的现象就越严重；②由于是两个物种的全部遗传物质的合并，各种基因都在其中，选择符合需要的个体难度大；③有时缺乏选择杂种细胞的有效方法。因此目前整体对称融合的工作比较少，而是采用非对称融合，即一方亲本包括了全部遗传物质，另一方亲本只取一部分遗传物质，如用不具有核的原生质体与之进行融合。
9.物理和化学方法诱导原生质体融合的基本原理是什么？
化学融合的机制：常用化学融合方法有高pH—高Ca2+法和聚乙二醇（PEG）
法。高pH—高Ca2+法诱导原生质体融合的基本原理是中和原生质体表面所带的电荷，使原生质体的质膜紧密接触，从而有利于质膜的接触融合。PEG处理原生质体可以使原生质体聚集促进融合，但PEG诱导融合的真正机制目前并不清楚。
物理融合的机制：常用方法为电融合法。此法是先将两种原生质体以适当的
比例混合成悬浮液，将其滴入电融合小室中，给小室两极以交变电流，使原生质体沿电场方向排列成串珠状，接着给以瞬间高强度的电脉冲，使原生质体膜产生局部破损而导致融合。
10.工厂化生产人参皂甙的基本过程是什么？
第一步，选择人参根作为外植体进行培养，产生愈伤组织，经过培养选择找
到增殖速度快而且细胞内人参皂甙含量高的细胞株作为种质，其中一部分作为保存用，以备下一次生产用，一部分进行发酵生产。
第二步，将第一步选择到的细胞株在发酵罐中的适合培养液中进行液体培
养，增加细胞数量。
第三步，将发酵罐中培养的细胞进行破碎，从中提取人参皂甙。

第二节 动物细胞工程
教学目标
1．知识方面：
（1） 动物细胞培养和核移植技术。
（2） 简述通过动物体细胞核移植技术克隆动物的过程和应用前景。
（3） 简述动物细胞融合和单克隆抗体的制备及应用。
2．态度观念方面：
（1） 初步培养学生勇于探索、不断创新的精神和合作精神。
（2） 通过向学生介绍几种动物细胞工程技术的发展动态及一些新的研究成果，使学生明确对生命奥秘的揭示愈加广泛和深入，形成终身学习的意识。
3．能力方面：
（1） 学生通过阅读、自学、质疑、讨论、训练和总结等环节，逐步提高独立获取知识的能力、逻辑思维能力、分析问题和解决问题的能力。
（2） 由植物体细胞杂交技术导出动物细胞融合过程，培养学生的知识迁移能力思维能力。
（3） 让学生尝试设计单克隆抗体的制备过程，使学生了解生物科学的认识模式，以发展学生的创造性能力。
教学重点和难点：
1.教学重点
（1）动物细胞培养的过程及条件。
（2）用动物体细胞核移植技术克隆动物的过程。
（3）单克隆抗体的制备和应用。
2.教学难点
（1） 用动物体细胞核移植技术克隆动物的过程。
（2） 单克隆抗体的制备过程。
教学方法：采用自学——指导、启发探究、师生交流等教学相结合。利用课件、资料等手段进行教学。
教学课时：3课时（含巩固练习及讲评）
教学过程：
[第一课时]
教师活动：播放课件，引导学生自学课本材料并回答相关提出问题。
1．植物细胞工程