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专题十九 生物技术在食品加工及其它方面的应用
( 植物有效成分的提取、 植物的组织培养技术、 DNA和蛋白质技术)
高考预测
本专题主要介绍了植物的组织培养技术、 植物有效成分的提取以及大分子物质提取的技术。这一专题的内容在旧教材中曾有部分涉及, 植物芳香油的提取、 胡萝卜素的提取则是初次出现。因此在当前高考贴近生活的形势下, 本专题的内容也会成为出题的一个选择点, 可是作为选修内容, 相信不会有太大的难度, 这在近两年的高考题目中也能够体现出来。
知识体系
考点归纳突破
愈伤组织及其形成
愈伤组织( callus) 原指植物体的局部受到创伤刺激后, 在伤口表面新生的组织。它由活的薄壁细胞组成, 可起源于植物体任何器官内各种组织的活细胞。在植物体的创伤部分, 愈伤组织可帮助伤口愈合; 在嫁接中, 可促使砧木与接穗愈合, 并由新生的维管组织使砧木和接穗沟通; 在扦插中, 从伤口愈伤组织可分化出不定根或不定芽, 进而形成完整植株。在植物器官、 组织、 细胞离体培养时, 条件适宜也能够长出愈伤组织。其发生过程是: 外植体中的活细胞经诱导, 恢复其潜在的全能性, 转变为分生细胞, 继而其衍生的细胞分化为薄壁组织而形成愈伤组织。从植物器官、 组织、 细胞离体培养所产生的愈伤组织, 在一定条件下可进一步诱导器官再生或胚状体而形成植株。在单倍体育种中, 也可由花粉产生的愈伤组织或胚状体分化成单倍体植株。甚至可由原生质体培养诱导植株或器官再生。故愈伤组织的概念已不局限于植物体创伤部分的新生组织了。
在植物的组织培养中, 从一块外植体形成典型的愈伤组织, 大致要经历三个时期: 启动期、 分裂期和形成期。启动期指细胞准备进行分裂的时期。外源植物生长激素对诱导细胞开始分裂效果很好, 常见的有萘乙酸、 吲哚乙酸、 细胞分裂素等。一般使用细胞分裂素和生长素比例在1∶1来诱导植物材料愈伤组织的形成, 如6-BA是一种人工合成的细胞分裂素6-苄基腺嘌呤的简称, IBA是一种人工合成的生长素吲哚丁酸的简称。分裂期是指外植体细胞经过诱导以后脱分化, 不断分裂、 增殖子细胞的过程。分裂期愈伤组织的特点是: 细胞分裂快, 结构疏松, 颜色浅而透明。分化期是指在分裂的末期, 细胞内开始出现一系列形态和生理上的变化, 从而使愈伤组织内产生不同形态和功能的细胞。这些细胞类型有薄壁细胞、 分生细胞、 色素细胞、 纤维细胞等等。外植体的细胞经过启动、 分裂和分化等一系列变化, 形成了无序结构的愈伤组织。如果在原来的培养基上继续培养愈伤组织, 会由于培养基中营养不足或有毒代谢物的积累, 导致愈伤组织停止生长, 甚至老化变黑、 死亡。如果要让愈伤组织继续生长增殖, 必须定期地( 2～4个星期) 将它们分成小块, 接种到新鲜的培养基上, 这样愈伤组织就能够长期保持旺盛的生长。
花粉
种子植物雄蕊花粉囊内的粉状体, 总称花粉。其中每一粒, 称为花粉粒。由花粉母细胞( 小孢子母细胞) 经过减数分裂形成。花粉母细胞经减数分裂形成的4个含单倍染色体数的子细胞常连在一起, 称四分体。以后四分体中的细胞逐渐增大并各自分离, 形成4个单核花粉粒( 小孢子) 。在多数植物, 单核花粉粒细胞分裂, 形成含一个营养细胞和一个生殖细胞的成熟花粉粒, 称2细胞花粉或2核花粉。其中营养细胞较大, 含较多的营养物质, 与花粉管的形成有关。生殖细胞较小, 花粉萌发时, 在花粉管中分裂形成2个精子, 直接参与生殖过程。有的植物花粉粒成熟前, 生殖细胞又进行一次分裂, 因而成熟时有一个营养细胞和2个精子, 称为3细胞花粉或3核花粉。例如水稻、 小麦、 玉米等。花粉成熟时, 花药开裂, 花粉自花粉囊中散出。
花粉粒具两层壁。外壁较厚, 含大量孢粉素和角质, 壁上有一至数个萌发孔, 表面有突起和花纹。内壁较薄, 主要由果胶质和纤维素所组成。花粉壁上的蛋白质, 在花粉与柱头的相互识别及花粉萌发和花粉管生长中有重要作用。花粉粒萌发时, 内壁经外壁上的萌发孔向外突出, 形成花粉管。不同植物花粉粒的形状、 大小、 颜色、 外壁上的花纹和萌发孔等都不一样。因此, 能够利用花粉的形态特征来帮助鉴定植物种类、 研究植物的演化关系和地理分布, 调查蜜源植物等。花粉可成为化石保存上百万年, 故在古植物学和地质学研究中及矿产勘探方面有重要意义。豚草属、 蒿属等的花粉为重要的致敏花粉, 在花粉大量产生的季节, 可引起某些人、 畜患花粉症( 即枯草热症) 。花粉在人工培养条件下, 以植物激素诱导, 能够发育成单倍体植株, 经染色体加倍后, 即能得到纯合的2倍体植株, 用于杂交育种, 可使杂交后代性状稳定并大大缩短育种周期, 为植物育种提供了新的途径。由于花粉内富含多种营养成分和生理活性物质, 近年来已有多种含花粉成分的强力营养滋补食品和化妆品问世。
PCR技术
类似于DNA的天然复制过程, 其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。PCR由变性--退火--延伸三个基本反应步骤构成: ①模板DNA的变性。把模板DNA经加热至93℃左右, 一定时间后, 模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离, 成为单链, 以便它与引物结合, 为下轮反应作准备。②模板DNA与引物的退火(复性)。模板DNA经加热变性成单链后, 温度降至55℃左右, 引物与模板DNA单链的互补序列配对结合。③引物的延伸。DNA模板--引物结合物在Taq DNA聚合酶的作用下, 以dNTP为反应原料, 靶序列为模板, 按碱基配对与半保留复制原理, 合成一条新的与模板DNA 链互补的半保留复制链。重复循环变性--退火--延伸三过程, 就可获得更多的”半保留复制链”, 而且这种新链又可成为下次循环的模板。每完成一个循环需2～4分钟, 2～3小时就能将待扩目的基因扩增放大几百万倍。
电泳
溶液中带电粒子( 离子) 在电场中移动的现象。利用带电粒子在电场中移动速度不同而达到分离的技术称为电泳技术。1937年瑞典学者A.W.K.蒂塞利乌斯设计制造了移动界面电泳仪, 分离了马血清白蛋白等3种球蛋白, 创立了电泳技术。
在确定的条件下, 带电粒子在单位电场强度作用下, 单位时间内移动的距离( 即迁移率) 为常数, 是该带电粒子的物化特征性常数。不同带电粒子因所带电荷不同, 或虽所带电荷相同但荷质比不同, 在同一电场中电泳, 经一定时间后, 由于移动距离不同而相互分离。分开的距离与外加电场的电压和电泳时间成正比。
在外加直流电源的作用下, 胶体微粒在分散介质里向阴极或阳极作定向移动, 这种现象叫做电泳。利用电泳现象使物质分离, 这种技术也叫做电泳。胶体有电泳现象, 证明胶体的微粒带有电荷。各种胶体微粒的本质不同, 它们吸附的离子不同, 因此带有不同的电荷。利用电泳能够确定胶体微粒的电性质, 向阳极移动的胶粒带负电荷, 向阴极移动的胶粒带正电荷。一般来讲, 金属氢氧化物、 金属氧化物等胶体微粒吸附阳离子, 带正电荷; 非金属氧化物、 非金属硫化物等胶体微粒吸附阴离子, 带负电荷。因此, 在电泳实验中, 氢氧化铁胶体微粒向阴极移动, 三硫化二砷胶体微粒向阳极移动。利用电泳能够分离到不同电荷的溶胶。例如, 陶瓷工业中用的粘土, 往往带有氧化铁, 要除去氧化铁, 能够把粘土和水一起搅拌成悬浮液, 由于粘土粒子带负电荷, 氧化铁粒子带正电荷, 通电后在阳极附近会聚集出很纯净的粘土。工厂除尘也用到电泳。利用电泳还能够检出被分离物, 在生化和临床诊断方面发挥重要作用。本世纪40年代末到50年代初相继发展利用支持物进行的电泳, 如滤纸电泳, 醋酸纤维素膜电泳、 琼脂电泳; 50年代末又出现淀粉凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳等。当前, 电泳技术已广泛应用于分析化学、 生物化学、 临床化学、 药理学、 免疫学、 微生物学、 遗传学等科学中。
高考真题体验
1．( 山东)科学家发现家蝇体内存在一种抗菌活性蛋白, 这种蛋白质具有极强的抗菌能力, 受到研究者重视。
⑴分离该抗菌蛋白可用电泳法, 其原理是根据蛋白质分子的________________、 大小及形状不同, 在电场中的________________不同而实现分离。
⑵可用金黄色葡萄球菌来检验该蛋白的抗菌特性。抗菌实验中所用培养基中的牛肉膏和蛋白胨主要为细菌生长提供________________和________________。
⑶分别在加入和未加入该抗菌蛋白的培养基中接种等量菌液。培养一定时间后, 比较两种培养基中菌落的________________, 确定该蛋白质的抗菌效果。
⑷细菌培养常见的接种方法有________________和________________。实验结束后, 对使用过的培养基应进行________________处理
考点定位: 本题考查了蛋白质的分离技术及微生物的有关知识
指点迷津: 在分离蛋白质时, 能够采用电泳法。电泳法的原理是依据蛋白质分子的电荷、 大小及形状的不同, 在电场中的移动速度不同而实现分离。在微生物培养过程中, 牛肉膏和蛋白胨能够提供碳源和氮源。在检验抗菌效果时, 能够经过比较菌落数量来进行分析。微生物的整个培养过程都要保持无菌, 包括培养结束后也要进行灭菌处理。
参考答案 ⑴电荷( 带电情况) ; 迁移速度 ⑵碳源; 氮源 ⑶数量
⑷平板划线法 ; 稀释涂布平板法( 稀释混合平板法) ; 灭菌
2．( 宁夏) 根据从胡萝卜中提取胡萝卜素的相关知识及胡萝卜素的性质, 回答下列问题。
⑴胡萝卜素是______________色的结晶。从胡萝卜中提取胡萝卜素, 常见________________作为溶剂, 原因是________________。
⑵从胡萝卜中提取胡萝卜素常见的方法是________________法。用这种提取胡萝卜素的主要步骤是: 粉碎、 干燥、 ________________、 ________________、 ________________。
⑶在胡萝卜颗粒的加热过程中, 应严格将________________和________________控制在一定范围内, 原因是________________。
⑷提取胡萝卜素可经过______________法进行鉴定, 在鉴定过程中需要用______________对照。
⑸一般情况下, 提取胡萝卜素时, 提取效率与原料颗粒的含水量成________________比。
考点定位: 本题考查了胡萝卜素的提取方法
指点迷津: 胡萝卜素是橘黄色的结晶。从胡萝卜中提取胡萝卜素, 常见有机溶剂作为溶剂, 原因是胡萝卜素是脂类物质, 易溶于有机溶剂。从胡萝卜中提取胡萝卜素常见的方法是萃取法。用这种提取胡萝卜素的主要步骤是: 粉碎、 干燥、 萃取、 过滤、 浓缩。在胡萝卜颗粒的加热过程中, 应严格控制温度和时间, 原因是温度过高和时间过长会导致胡萝卜素分解。提取胡萝卜素可经过纸层析法进行鉴定, 在鉴定过程中需要用标准样品比色对照。
参考答案
⑴橘( 橙) 黄; 亲脂性有机溶剂( 或有机溶剂) ; 胡萝卜素是脂类物质
⑵萃取; 萃取; 过滤; 浓缩
⑶温度; 时间; 温度过高和时间过长会导致胡萝卜素分解
⑷纸层析; 标准样品 ⑸反
3．( 广东生物)为了实现燃料供应来源多样化, 发展长期替代化石燃料的产品如燃料酒精、 生物柴油、 沼气等已经列入中国未来 的发展计划。广东省是中国甘蔗主产区之一。甘蔗是一种高光效的C4植物, 单位面积产量很高, 种植面积日益扩大, 当前已成为南方地区燃料酒精生产的重要原料。利用甘蔗生产燃料酒精的一般工艺流程为: 甘蔗—榨汁( 蔗糖) —酵母发酵—蒸馏—成品( 燃料酒精) 。
请根据上述材料, 回答下列问题:
⑴简述甘蔗大规模快速繁殖技术的过程。
⑵具有耐高糖和耐酸特性的酵母菌是理想的酒精发酵菌种, 对野生酵母菌进行诱变后经过筛选能够得到具有这些特性的突变菌, 诱变及筛选过程如下:
步骤1: 野生菌液体培养一段时间后接受紫外线照射诱变处理。
步骤2: 制备选择培养基。在基本培养基的基础上, 注意＿_____________和______________, 加琼脂后灭菌, 制成固体平板。
步骤3: 将紫外照射后的菌液稀释涂布平板。
步骤4: 根据__________＿________________筛选出突变菌。
⑶上述步骤2、 3和4的依据分别是________________; ________________; _______________;
⑷利用获得的突变菌和蔗糖汁进行酒精发酵实验, 除了将培养基灭菌、 保持空间洁净外, 发酵过程中防止外来杂菌入侵还有哪些可行方法? ( 列举两种)
⑸甘蔗榨汁以后还有大量的蔗渣废弃物, 主要成分为木质素、 纤维素和半纤维素, 可是酵母菌无法直接利用, 原因是其_______＿________________。请提出解决该问题的方法。( 列举两种方法)
⑹突变菌往往带有一些特殊的基因。在获得这些基因的过程中, PCR技术相当重要。PCR扩增反应中加入引物和DNA聚合酶的作用分别是什么?
考点定位: 本题主要考查了学生对于植物组培和微生物培养的有关内容
指点迷津: 综合考查考生对生物技术实践模块中的植物组织培养、 特殊微生物的筛选及应用、 酶的应用以及PCR技术的基本操作和应用等内容的掌握; 理论联系实际, 针对生物学问题进行初步研究, 设计实验路线, 对实验结果和现象进行正确的分析与判断, 综合运用所学知识解决实际问题的能力。
参考答案
⑴选取甘蔗外植体, 经过诱导脱分化产生愈伤组织, 然后经过调整植物激素比例, 再分化形成芽和根, 获得大量试管苗( 或经过诱导大量形成胚状体, 制成人工种子, 适宜条件下萌发长成幼苗) 。
⑵添加高浓度蔗糖( 葡萄糖) ; 调低pH值; 是否能在选择培养基上生长。
⑶提供高糖和酸性的筛选环境; 获得单菌落; 能生长代表该菌落具有耐高糖和耐酸的特性。
⑷①利用突变菌的耐酸特性, 降低培养基的pH值, 达到抑菌的目的;
②利用突变菌的耐高糖特性, 经过高渗环境达到抑菌目的;
③保持厌氧环境, 达到抑菌目的;
④在培养基中添加一些抑制物如特殊的抗生素, 达到抑菌目的。
⑸缺乏相应分解酶系( 或缺乏纤维素酶和半纤维素酶) 。在酵母菌中转入分解酶系相关基因; 利用酶或微生物分解蔗渣; 利用物理和化学方法分解蔗渣; 将酵母菌与其它能分解蔗渣的微生物混合发酵。
⑹引物的作用是结合在模板DNA上, 提供DNA延伸起始位点; DNA聚合酶的作用是从引物的3'端开始催化DNA链的延伸。
4．( 江苏)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经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
考点定位: 本题考查了植物组织培养的有关内容
指点迷津: 在植物组织培养过程中培养基中添加蔗糖能够提供营养和调节渗透压, 添加生长素和细胞分裂素能够影响愈伤组织的生长和分化。离体器官或组织的细胞都必须先经过脱分化形成愈伤组织才能再分化发育成为完整植株。在同一植株中, 体细胞培养和生殖细胞培养获得愈伤组织的基因不相同。
参考答案D
5．( 江苏)在采用鸡血为材料对DNA进行粗提取的实验中, 若需进一步提取杂质较少的DNA, 能够依据的原理是( )
A．在物质的量浓度为0.14mol·L-1叫的氯化钠溶液中DNA的溶解度最小
B．DNA遇二苯胺在沸水浴的条件下会染成蓝色
C．DNA不溶于酒精而细胞中的一些物质易溶于酒精
D．质量浓度为0.1g·mL-l的柠檬酸钠溶液具有抗凝血作用
考点定位: 本题考察了DNA的粗提取试验的原理
指点迷津: 在这个试验中, 提取的原理依据了DNA的溶解度原理。DNA在氯化钠中溶解度是随着氯化钠浓度的变化而变化。当氯化钠的物质的量的浓度为0.14mol/L时, DNA的溶解度最低。利用这一原理能够使溶解在氯化钠溶液中DNA析出, 可是仍含有少量杂质。DNA不溶于酒精, 可是细胞中的某些物质则可溶于酒精溶液, 利用这一原理则能够使DNA的纯度更高。DNA遇二苯胺在沸水浴的条件下会染成蓝色则是DNA鉴定的原理
参考答案 C
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