新课标创新人教生物选修3 212 植物细胞工程的实际应用.docx
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新课标创新人教生物选修3212植物细胞工程的实际应用
2.1.2 植物细胞工程的实际应用
一、植物繁殖的新途径
1．微型繁殖
（1）概念：
用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。
（2）优点
（3）实例：
兰花、生菜、杨树以及无子西瓜试管苗的产业化生产。
2．作物脱毒
（1）取材：
无病毒的茎尖组织。
（2）优点：
提高作物产量和品质。
（3）实例：
脱毒马铃薯、草莓、甘蔗、菠萝和香蕉等的培育。
3．人工种子
（1）概念：
以植物组织培养获得的胚状体、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。
（2）人工种子在适宜条件下可萌发长成幼苗。
（3）实例：
将芹菜、花椰菜、桉树和水稻等的胚状体制成人工种子。
二、作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产
1．作物新品种的培育
（1）单倍体育种
①原理：
细胞的全能性和染色体变异。
②过程：
花药
单倍体植株
纯合子植株。
③优点：
a．后代是纯合子，能稳定遗传。
b．明显缩短了育种年限。
④实例：
单育1号烟草、京花1号小麦等。
（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的分生状态，因此容易受培养条件和外界压力（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、抗盐碱的野生烟草、抗除草剂的白三叶草等。
2．细胞产物的工厂化生产
（1）细胞产物的种类：
蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。
（2）技术基础：
植物组织培养技术。
（3）实例：
我国利用植物组织培养技术实现了大量生产人参皂甙干粉；另外，三七、紫草和银杏的细胞产物也都已经实现了工厂化生产。
[共研探究]
植物细胞工程作为一门新兴的生物技术，已经普遍应用于社会生产的方方面面。
下面图示都利用了植物组织培养，观察并回答问题。
1．微型繁殖（图1）
（1）概念：
用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。
（2）特点：
①无性繁殖，能够保持种苗的优良遗传特性。
②选取材料少。
③繁殖速度快，周期短。
④不受季节、气候、自然灾害等因素的影响。
⑤可实现工厂化生产。
2．作物脱毒（图2）
（1）取材：
无病毒的茎尖组织。
因为在植物分生区附近，细胞分裂十分迅速，病毒来不及侵入。
（2）图2所示脱毒草莓产品品质优良，如果将未被病毒感染的植株的分生组织用植物组织培养的方法培育幼苗，用于生产，可以避免病毒对作物的影响，大大提高作物的产量。
3．人工种子
（1）概念：
以通过植物组织培养的方法获得的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，外面包被上人工薄膜，在适宜的条件下可以发芽长成幼苗的种子。
（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。
[总结升华]
1．作物脱毒、人工种子
（1）作物脱毒主要是强调组织培养的取材一定是无毒的（如茎尖、根尖），这样才能繁殖出无毒的幼苗。
（2）人工种子
①人工种子的培育也是采用组织培养技术，但是只需培育得到胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等材料，包上人工种皮就可形成人工种子。
②人工种皮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，相当于种子的子叶或胚乳。
③人工种子发芽得到的幼苗能保持亲本的优良性状，另外还不受气候、季节和地域的限制。
2．人工种子与天然种子的区别
（1）人工种子是通过植物组织培养产生的，属于无性繁殖，可保持亲本的优良性状。
（2）自然种子是通过有性生殖产生的，可表现出双亲的遗传性状。
[对点演练]
1．下面对人工种子的叙述不正确的是（ ）
A．人工种子的胚乳中含有胚状体发育所需的营养物质，还可以添加农药和植物激素
B．人工种子可以工业化生产，播种人工种子可节省大量的粮食
C．人工种子克服了有些作物品种繁殖能力差，结种困难或发芽率低等问题
D．人工种子的胚状体还未分化出胚芽、胚轴和胚根等结构
解析：
选D 人工种子是经植物组织培养获得具有生根发芽能力的胚状结构后，包裹人工种皮而形成的。
在人工种子胚乳中，除了添加种子萌发所需的营养物质外，还可添加农药、植物激素、固氮菌等。
[共研探究]
1．作物新品种的培育除传统的杂交育种外，还有单倍体育种、人工诱变育种、基因工程育种等。
在单倍体育种领域，科学家成功地培育出中花8号、11号水稻和京花1号小麦等作物新品种。
观察图示，回答相关问题：
（1）中花11号水稻是单倍体育种的成就，其育种原理是染色体变异。
（2）单倍体育种过程中，用秋水仙素诱导染色体加倍，原理为秋水仙素抑制纺锤体的形成，细胞不能正常分裂，从而使染色体数目加倍。
（3）请用箭头和文字表达单倍体育种的过程。
提示：
花药离体培养
愈伤组织
单倍体植株
正常植株
（4）在植物组织培养过程中，愈伤组织阶段容易发生突变得到突变体。
（5）突变体育种的原理是基因突变或染色体变异，诱变育种的原理为基因突变。
诱变育种属于突变体育种的一种。
2．组织培养技术除了在农业上的应用外，还广泛应用于细胞产物的工厂化生产。
这些细胞产物包括蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。
观察下图回答相关问题：
（1）完善细胞产物工厂化生产流程
外植体（离体的植物器官、组织或细胞）
愈伤组织
细胞悬液
细胞产物
（2）思考工厂化生产人参皂甙的基本过程，回答相关问题。
①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子。
②将第一步选择的细胞株放在发酵罐中的适合培养液中进行液体（填“液体”或“固体”）培养，增加细胞数量。
③将发酵罐中培养的细胞进行破碎，从中提取人参皂甙。
（3）根据生产的目的不同，植物组织培养的阶段不同：
①若获得人工种子，则培养到胚状体阶段。
②若提取细胞产物，则培养到愈伤组织阶段。
③若培养新个体，则培育到试管苗阶段。
（4）我国利用植物组织培养技术实现了细胞产物的工厂化生产，如人参皂甙、三七、紫草和银杏。
[总结升华]
1．单倍体育种、基因工程育种和植物细胞工程育种的比较
单倍体育种
基因工程育种
植物细胞工程育种
原理
染色体变异、植物细胞的全能性
基因重组
植物细胞的全能性
方法
选择亲本→有性杂交→F1产生的花粉离体培养获得单倍体植株→诱导染色体加倍获得可育纯合子→选择所需要的类型
提取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→基因表达→筛选出符合要求的新品种
去细胞壁→细胞融合→组织培养
优点
明显缩短育种年限，加速育种进程；全是纯合子，后代不发生性状分离
不受种属限制，可根据人类的需要，有目的地进行
克服远缘杂交的不亲和性，有目的地培育优良品种
缺点
技术较复杂，需与杂交育种结合，多限于植物
可能会引起生态危机，技术难度大
技术复杂，难度大
2．单倍体育种与多倍体育种的异同
（1）相同点：
单倍体育种和多倍体育种均需要用秋水仙素诱导染色体数目加倍。
（2）不同点：
单倍体育种需要植物组织培养先形成单倍体幼苗，但多倍体育种一般不使用植物组织培养技术。
3．植物组织培养与植物细胞培养的区别
（1）含义不同：
植物组织培养是指在一定的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，把植物离体的器官、组织或细胞培养成完整的植物体。
而植物细胞培养是将组织培养过程中形成的愈伤组织或其他易分散的组织置于液体培养基中，进行悬浮培养，得到分散游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增殖，从而获得大量的细胞群体的一种技术。
（2）目的不同：
植物组织培养的目的是得到更多的植物体，而植物细胞培养的目的是获得人类所需要的细胞代谢产物。
[对点演练]
2．如图列举了几种植物的育种方式，请据图回答相关问题：
（1）甲育种方式称为________。
（2）通过丁方式可以获得脱毒苗，培养过程中c常常取用茎尖的原因是________。
（3）乙方式通常用射线处理植物的愈伤组织能获得较好效果，原因是________。
（4）丙方式将外源目的基因导入受体植物细胞，最常采用的方法是________。
（5）甲、丙两种育种方式与传统杂交育种相比，其优点是________。
解析：
（1）由a、b两种细胞通过一定的技术手段获得c，属于植物体细胞杂交，能克服远缘杂交不亲和的障碍。
（2）植物分生区附近（如茎尖）的病毒极少，甚至没有病毒，因此常用茎尖组织培养技术获得脱毒苗。
（3）由于愈伤组织一直处于不断分裂的状态，容易受到培养条件和外界压力（如射线、化学物质等）的影响而发生突变。
（4）将外源基因导入植物受体细胞中，最常用的是农杆菌转化法。
（5）植物体细胞杂交和基因工程都能克服不同物种间远缘杂交不亲和的障碍，而传统杂交育种由于生殖隔离而不能实现种间杂交。
答案：
（1）植物体细胞杂交
（2）茎尖所含病毒较少，甚至不含病毒 （3）愈伤组织细胞处于不断分裂的状态，易受到培养条件和外界压力的影响而产生突变 （4）农杆菌转化法 （5）能克服不同物种间远缘杂交不亲和的障碍
1．下列属于植物的微型繁殖技术的是（ ）
A．兰花的茎尖组织培育成兰花幼苗
B．水稻种子萌发并长成新个体
C．扦插的葡萄枝长成新个体
D．柳树芽发育成枝条
解析：
选A 水稻种子萌发并长成新个体、柳树芽发育成枝条均属于个体发育部分；扦插的葡萄枝长成新个体属于无性生殖中的营养生殖。
2．下列有关植物细胞工程应用的叙述，不正确的是（ ）
A．利用植物组织培养技术培育脱毒苗，获得抗病毒的新品种
B．利用组织培养技术获得人工种子，能保持亲本的优良性状
C．利用细胞培养技术获得紫草素，实现了细胞产物的工厂化生产
D．利用植物体细胞杂交技术获得“萝卜—甘蓝”，克服了不同生物远缘杂交不亲和的障碍
解析：
选A 脱毒苗的含义是脱掉病毒或者基本上不带病毒，而不是产生抗病毒能力。
产生抗病毒能力一般需要使用转基因技术。
3．下列哪种生物不能通过突变体的利用而获得（ ）
A．抗除草剂的白三叶草
B．生产胰岛素的大肠杆菌
C．高产水稻
D．蛋白质含量高的小麦
解析：
选B 基因突变能产生新的基因，从而产生新的性状，A、C、D选项中的生物均能通过基因突变产生；胰岛素是高等动物的蛋白质，一般通过转基因技术获得能够生产胰岛素的大肠杆菌。
4．（2014·江苏高考）为了获得植物次生代谢产物，先用植物外植体获得愈伤组织，然后在液体培养基中悬浮培养。
请回答下列问题：
（1）外植体经诱导后形成愈伤组织的过程称为________________________________________________________________________。
（2）在愈伤组织悬浮培养时，细胞干重、蔗糖浓度和pH的变化如图所示。
细胞干重在12d后下降的原因有__________________________；培养液中蔗糖的作用是____________、____________。
（3）多倍体愈伤组织细胞产生的次生代谢产物量常高于二倍体。
二倍体愈伤组织细胞经________处理，会产生染色体加倍的细胞。
为检测愈伤组织细胞染色体数目，压片前常用纤维素酶和________酶解离愈伤组织。
若愈伤组织细胞（2n）经诱导处理后，观察到染色体数为8n的细胞，合理的解释是________________________________________________________________________、
__________________________________。
解析：
（1）外植体是植物体离体的组织、器官或细胞，诱导形成愈伤组织的过程称为脱分化。
（2）在培养过程中，蔗糖为细胞提供能源。
随着蔗糖的消耗，营养供应减少，同时，细胞代谢产物、废物增加，使pH降低（偏酸），不利于细胞生长。
培养基中的蔗糖还具有调节渗透压的作用。
（3）秋水仙素或低温处理都可诱导细胞染色体数目加倍。
纤维素酶和果胶酶处理细胞壁，可以使细胞之间易于分离（解离）。
答案：
（1）脱分化
（2）蔗糖浓度下降，pH降低 提供能源 调节渗透压 （3）秋水仙素（低温） 果胶 经加倍到4n的细胞处于有丝分裂后期 经加倍到8n的细胞处于有丝分裂中期
【基础题组】
1．通过植物组织培养技术繁育农作物，其优点不包括（ ）
A．加快繁育速度 B．保持亲本优良性状
C．培育出无病毒植株D．改变植物的基因型
解析：
选D 植物组织培养技术是无性繁殖技术，不仅可以高效快速地实现种苗的大量繁殖，还可以保持优良品种的遗传特性，并通过作物脱毒提高作物产量，改善作物品质，但不能改变植物的基因型。
2．下列属于植物细胞工程实际应用实例的是（ ）
①制造人工种子 ②培育抗盐植物 ③培育抗病毒烟草 ④培育单倍体 ⑤生产脱毒植株
A．①②③④B．①③④⑤
C．①②④⑤D．②③④⑤
解析：
选C 培育抗病毒烟草是转基因技术的应用。
3．将植物的茎尖或叶片、茎段、花药、花粉等，在无菌条件下，培养在人工配制的培养基上，使它发育成完整的植株。
这种技术可以用来在较短时间内大量繁殖植物，还可以防止植物病毒的危害。
下列关于这种技术的叙述，正确的是（ ）
①这种技术利用了植物细胞的全能性 ②这种技术叫植物组织培养 ③这种技术属于细胞工程的应用领域之一 ④这种技术是一种无性繁殖的方式 ⑤这种技术需在离体条件下进行
A．①⑤B．①②⑤
C．①②③D．①②③④⑤
解析：
选D 含有该物种的全套遗传信息的植物体细胞都具有全能性，都有发育成完整生物体的潜能。
植物组织培养就是在体外通过人工方法，让植物细胞表现出全能性，是植物细胞工程的一个基础技术手段。
因为没有生殖细胞的结合，所以属于无性生殖方式。
4．如图表示某植物的培育过程，据图判断下列说法错误的是（ ）
A．A→F不能体现细胞的全能性
B．C中是高度液泡化的薄壁细胞
C．植株A和F中的染色体组数不同
D．植株F一般不能直接应用于生产
解析：
选A 图中所示B→F为花药离体培养得到单倍体幼苗，体现了生殖细胞也具有全能性。
但F与A中的染色体组数不同，一般需经人工诱导染色体数目加倍后才可应用于生产。
5．某株名贵花卉用种子繁殖时会发生性状分离，为了防止性状分离并快速繁殖，可利用该植物体的一部分器官或组织进行离体培养，但不能采用该植株的（ ）
A．茎尖B．芽
C．叶片D．花粉粒
解析：
选D 花粉粒细胞离体培养得到的植株是单倍体，改变了原有植株的遗传物质。
6．下面为植物组织培养过程流程图解，下列相关叙述不正确的是（ ）
A．上述过程中脱分化发生在b步骤，在此过程中植物激素发挥了重要作用
B．再分化发生在d步骤，是愈伤组织重新分化成根或芽等器官的过程
C．从叶组织块到种苗形成的过程说明植物叶片细胞具有全能性
D．人工种子可以解决有些作物品种繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题
解析：
选B 植物组织培养首先要取出部分细胞，这些离体的细胞称为外植体，经过脱分化后，形成一些薄壁细胞，这些细胞称为愈伤组织，经过再分化，形成具有生根和发芽能力的胚状体或直接形成根和芽，最终发育成完整植株。
所以b为脱分化，c为再分化，植物组织培养的科学原理是植物细胞的全能性。
7．（2013·江苏高考）某种极具观赏价值的兰科珍稀花卉很难获得成熟种子。
为尽快推广种植，可应用多种技术获得大量优质苗，下列技术中不能选用的是（ ）
A．利用茎段扦插诱导生根技术快速育苗
B．采用花粉粒组织培养获得单倍体苗
C．采集幼芽嫁接到合适的其他种类植物体上
D．采用幼叶、茎尖等部位的组织进行组织培养
解析：
选B 利用扦插、嫁接的方法能快速繁殖，且保持亲代的优良性状；花粉粒为雄配子，其离体培养获得的单倍体植株会发生性状分离，不能保持亲代的优良性状；用植物的体细胞进行植物组织培养，可快速繁殖且保持亲本优良性状。
8．在植物组织培养过程中，容易获得突变体的主要原因是（ ）
A．培养的细胞一直处于不断地分生状态，容易受培养条件、外界压力的影响
B．培养基营养丰富，易于植物生长
C．纺锤丝的形成容易受抑制
D．培养基中富含诱导因子诱发分生组织定向突变
解析：
选A 在植物组织培养过程中，由于培养的细胞一直处于不断地分生状态，容易受一些条件的影响而产生突变。
【能力题组】
9．某优良品种水稻的基因型为AaBb，其花药通过组织培养形成了试管苗。
下列对这一培养过程的叙述，不正确的是（ ）
A．花粉形成试管苗要经过脱分化和再分化的过程
B．试管苗有四种基因型，其体细胞含有一个染色体组
C．通过该过程培育出的试管苗还不能直接用于生产
D．这些试管苗自交，后代性状不发生分离
解析：
选D 花药通过组织培养形成了试管苗，该过程要先经过脱分化形成愈伤组织，再通过再分化形成试管苗；由水稻的基因型为AaBb可知水稻为二倍体，其配子含一个染色体组，由配子发育成的试管苗的体细胞中含有一个染色体组；试管苗为单倍体，是高度不育的，不能通过有性生殖繁殖后代，不能直接用于生产。
10．采用如图所示的方法获得纯合高蔓抗病番茄植株（两对相对性状独立遗传）。
下列叙述错误的是（ ）
A．过程①的自交代数越多，纯合高蔓抗病植株的比例越高
B．过程②可以任取一植株的适宜花药作培养材料
C．过程③利用了植物体细胞杂交技术
D．过程②发生减数分裂，过程③发生有丝分裂
解析：
选C 随着杂合子自交代数增加，后代杂合子的比例越来越小（1/2n），纯合子比例越来越高；由于F1所有植株的基因型都相同，因而过程②可以任取一植株的适宜花药作培养材料；过程③是通过基因工程获得转基因植株的过程，需要的技术主要有DNA重组技术、植物组织培养技术，而不涉及植物体细胞杂交技术；过程②形成花药的过程中进行减数分裂，过程③为植物组织培养过程，进行有丝分裂。
11．科学家通过植物组织培养可获得人工种子，有关人工种子的说法不正确的是（ ）
A．可解决有些作物繁殖能力差、结子困难等问题
B．属于无性生殖，后代能够保持亲本的优良性状
C．经组织培养形成胚状结构，包裹上人造种皮即可
D．属于有性生殖，后代具有更大的变异性
解析：
选D 人工种子是用植物组织培养的方法获得的，属于无性生殖，性状与亲本相同，其主要用途是解决有些作物品种繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题。
12．甘薯种植多年后易积累病毒而导致品种退化。
目前生产上采用茎尖分生组织离体培养的方法快速繁殖脱毒的种苗，以保证该品种的品质和产量水平。
这种通过分生组织离体培养获得种苗的过程涉及细胞的（ ）
①有丝分裂 ②分化 ③减数分裂 ④全能性
A．①②③B．②③④
C．①③④D．①②④
解析：
选D 某些作物进行无性繁殖过程中会感染病毒且容易传给后代，病毒逐年积累就会导致作物产量降低，品质变差。
切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗，在这个过程中通过细胞的有丝分裂增加细胞的数目，通过细胞的分化使来自同一细胞的这些细胞功能发生差异而完成生物体的各项生命活动。
13．科学家从悬浮培养的单细胞、离体花粉或胚囊中，通过植物组织培养技术获得胚状结构（胚状体）。
胚状体不同于一般的种子胚，它是由非合子细胞分化形成的类似于胚的结构物，所以，又称“体细胞胚”或“花粉胚”。
胚状体在一定的条件下，可以通过个体发育过程形成植株。
将其包埋在一个能提供营养的胶质中，外面包裹上人造种皮，便制成了“人工种子”。
目前，我国科学家利用植物组织培养技术已在烟草、水稻、小麦和玉米等植物上成功诱导出胚状体，而美、法等各国正着手将人工种子市场化、商品化。
（1）简要归纳“离体的细胞”进行植物组织培养获得胚状体的过程：
________________________________________________________________________。
（2）“人工种子”大体由胚状体、包埋胚状体的胶质以及人造种皮三部分组成。
包埋胚状体的胶质相当于自然种子中的________，其中富含营养物质，这是因为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
为了满足胚状体代谢的需求，“人造种皮”还必须具有良好的________性能。
（3）培育胚状体利用了________这一项生物技术。
在该过程中，培养基中需要添加________和________两种激素，还需要对培养基进行严格的________。
（4）某二倍体植物基因型为DdTt，利用这种生物技术采用花药离体培养的方法，可培育成“花粉胚”，也可制成人工种子，这种种子萌发形成的个体为________，基因型为________。
（5）从上面所述胚状体的类型分析，人工种子萌发长成的植株是否可育？
________________________________________________________________________。
（6）写出“人工种子”商品化的意义（两项）：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：
组织培养的过程包括脱分化和再分化两个阶段。
胚状体在萌发初期不能进行光合作用，因此需要给其提供营养，人工种皮要有很好的透气性，保证供给胚足够的氧气。
胚状体的培育利用的是组织培养技术，培养基中需要添加生长素和细胞分裂素，同时要保证无菌条件。
答案：
（1）离体的细胞
愈伤组织
胚状体
（2）胚乳或子叶 胚状体在萌发初期不能进行光合作用 透水、透气 （3）植物组织培养 生长素 细胞分裂素 灭菌 （4）单倍体 DT、Dt、dT、dt （5）由花粉培养发育的植株一般不可育，由体细胞经组织培养发育的植株是可育的 （6）可用于苗木的快速繁育；无病毒植株培养；解决有些作物繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题（任选两项）
14．下面是植物组织培养的简略过程。
请据此回答下列问题。
①→脱分化→②→再分化→③→④
（1）①表示______________________________________，它能被培养成④的根本原因
是________。
（2）②表示________。
（3）若想制造人工种子，应该选择________（写编号）。
（4）若①是花药，则④是________，这项技术可用在________上。
（5）若①是胡萝卜根尖细胞，则培养成的④的叶片的颜色是________，这说明根尖细胞______________
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