学年人教版生物选修三讲义专题2 212 植物细胞工程的实际应用.docx

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学年人教版生物选修三讲义专题2212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

学习目标：

1.简述微型繁殖技术。

（重点）　2.理解掌握利用植物组织培养的技术培养脱毒苗和人工种子。

（重、难点）3．理解植物组织培养技术在细胞产物的工厂化生产领域的应用。

（重点）

一、植物繁殖的新途径

1．微型繁殖

（1）概念：

快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。

（2）特点

2．作物脱毒

（1）选材部位：

植物的分生区附近。

（2）选材原因：

分生区附近的病毒极少，甚至无病毒。

（3）实例：

目前采用茎尖组织培养技术来脱除病毒，在马铃薯、草莓、甘蔗、菠萝、香蕉等主要经济作物上已获得成功。

3．人工种子

（1）概念：

以植物组织培养得到的胚状体、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）特点

①后代无性状分离。

②不受季节、气候和地域限制。

（3）实例：

我国已成功地把芹菜、花椰菜、桉树和水稻的胚状体制备成了人工种子。

二、作物新品种的培育

1．单倍体育种

（1）过程：

花药离体培养―→单倍体植株

纯合子植株。

（2）优点

①后代是纯合子，能稳定遗传。

②明显缩短了育种的年限。

2．突变体的利用

（1）产生原因：

在植物的组织培养过程中，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：

筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。

三、细胞产物的工厂化生产

1．细胞产物种类：

蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。

2．技术：

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。

1．判断对错（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）葡萄的扦插、桃树的嫁接、石榴的压条繁殖方式都属于微型繁殖。

（　　）

（2）脱毒苗培育所选的组织培养材料可以来自植株的任何部位。

（　　）

（3）天然种子萌发后长成的植株容易发生性状分离，人工种子长成的植株性状不分离。

（　　）

（4）单倍体育种和突变体培育的遗传学原理是一致的。

（　　）

（5）突变体培育通常对植物的愈伤组织进行诱变处理，而工厂化生产的细胞产物也来自愈伤组织细胞。

（　　）

提示：

（1）×　属于无性繁殖，不属于微型繁殖。

微型繁殖是指用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。

（2）×　培育脱毒苗时选用的通常是茎尖等分生组织，原因是该组织附近的病毒极少，甚至无病毒。

（3）√

（4）×　单倍体育种的原理是染色体变异和植物细胞的全能性，突变体育种的原理是基因突变和植物细胞的全能性。

（5）√

2．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

D　[植物组织培养技术不仅可以保持优良亲本的遗传特性，还可以高效快速地实现种苗的大量繁殖，A、B两项均正确；利用该技术还可以培育脱毒苗，因为选材部位是植物分生区附近的新生组织，没有或极少感染病毒，所以由培育的脱毒苗长成的植株是无病毒植株，C项正确；经该技术培育的植株跟亲本基因型相同，D项错误。

]

3．下图为植物组织培养的基本过程，若制作人工种子，生产治疗烫伤、割伤的药物——紫草素，应分别选用编号（　　）

A．④②B．③②

C．③④D．④③

B　[人工种子是指已分化的胚状体等用合适的“人工种皮”进行包裹，所以应为再分化后的③；而获取产物紫草素则培养到具有产生此物质的细胞群体②即可，无须获得植株。

]

植物繁殖的新途径

[思考交流]

1．植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么？

提示：

植物组织培养到愈伤组织的阶段，细胞进行有丝分裂，细胞分裂速度较快，从而获得大量的组织细胞，然后不断地分割、移瓶、诱导再分化形成新植株。

植物组织培养在实验室进行，受季节、气候等条件限制较小。

2．作物培养过程中为什么要进行作物脱毒，如何进行作物脱毒？

提示：

对于无性繁殖的作物，病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低、品质变差。

而植物分生区附近的病毒极少，甚至无病毒，因此切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植物就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。

3．根据种子发育所需的营养物质，分析人工种皮内应含有哪些有效成分？

提示：

适宜的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等。

[归纳总结]

1．微型繁殖

（1）概念：

植物的快速繁殖技术就是利用植物组织培养的方法将植物体某一部分的组织小块进行培养并诱导其分化成大量的小植株，从而达到快速无性繁殖的目的，也称为试管苗繁殖或微型繁殖。

（2）实质：

植物组织培养。

（3）原理：

植物细胞的全能性。

（4）微型繁殖技术的优点及应用范围

①能保持亲本的一切优良性状（高保真），子代个体具有的遗传物质与亲本的遗传物质相同。

②选材少，培养周期短，繁殖率高。

③不受自然生长季节的限制，便于自动化管理，有利于进行工厂化培养。

④作物脱毒。

（5）微型繁殖的条件

培养基中加入细胞生命活动所需要的水、矿质元素和小分子有机物，还有激素，更重要的是所有加入的物质都必须是无菌的，操作过程也必须在无菌条件下进行，这样繁殖的幼苗才是无毒的。

特别提醒：

微型繁殖实际上是一种无性繁殖。

繁殖过程中的分裂方式是有丝分裂，亲、子代细胞内的遗传物质相同，所以能够保证亲、子代性状相同。

2．作物脱毒

（1）进行作物脱毒的原因：

进行无性繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传播给后代。

病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低，品质变差。

因而需要进行作物脱毒。

（2）材料的选取：

植物分生区附近（如茎尖）的病毒极少，甚至无病毒。

因此，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。

用脱毒苗进行繁殖，种植的作物就不会或极少感染病毒。

（3）需要解决的问题：

无性繁殖的作物，它们感染的病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低，品质变差。

（4）解决方法：

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。

（5）理论基础：

植物分生区附近的病毒极少，甚至无病毒。

（6）特点：

繁殖速度快；不受季节和地域的限制。

（7）成果：

目前采用茎尖组织培养技术来脱除病毒，已获得脱毒的马铃薯、草莓、甘蔗、菠萝和香蕉等经济作物。

3．人工种子

（1）概念

以植物组织培养得到的胚状体、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（如图所示）。

人工种子在适宜条件下同样能够萌发长成幼苗。

知识拓展：

人工种皮是保证包裹在其中的胚状体顺利生长发育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。

（2）制备过程

（3）主要优点

①可使在自然条件下不结实或种子昂贵的植物得以繁殖。

②固定杂种优势。

天然种子由于在遗传上具有因减数分裂引起的重组现象，因而会造成某些遗传性状的改变，而人工种子则可以完全保持优良品种的遗传特性。

③快捷高效的繁殖方式。

④可控制植物的生长发育与抗逆性。

⑤方便储藏和运输。

1．马铃薯利用它的块茎进行无性繁殖，种植的世代多了以后往往会感染病毒而减产，为此农户都希望得到无病毒的幼苗进行种植。

获得无病毒幼苗的最佳办法是（　　）

A．选择优良品种进行杂交

B．进行远缘植物体细胞杂交

C．利用芽尖进行组织培养

D．人工诱导基因突变

C　[芽尖分生能力旺盛，病毒难以侵染，几乎不含病毒，可以通过组织培养获得脱毒苗。

]

2．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，可以通过胚胎发育过程形成植株。

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”。

人工种子的概念是1978年在加拿大举行的第四届国际植物组织、细胞培养会议上首次提出来的。

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、日、法等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等部分组成。

包埋胚状体的胶质中富含营养物质，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）由“人工种子”萌发出的植株是否可育？

_____________________________________________________。

（4）写出“人工种子”商品化的意义：

____________。

（任填两项即可）

（5）培育胚状体利用了________________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________。

（6）该项技术的成功应用，反映了植物细胞的____________性。

[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的技术，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）胚状体在萌发初期不能进行光合作用　透水、透气

（3）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

（4）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

（5）植物组织培养　生长素　细胞分裂素　灭菌

（6）全能

作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产

背景材料　

1．单倍体育种

（1）过程

（2）原理：

生殖细胞的全能性（花药离体培养为单倍体植株）；染色体数目的变异（秋水仙素诱导单倍体幼苗细胞染色体数目加倍）。

（3）优点：

与杂交育种要经过5～6年的连续筛选相比，单倍体育种明显缩短育种年限，加快育种进程。

2．突变体的利用

（1）过程

（2）原理：

基因突变和植物细胞的全能性。

（3）优点：

提高愈伤组织的突变率，可以获得高抗、高产、优质、抗逆的新品种，加快了育种进程。

（4）缺点

①突变不定向，需要处理大量材料。

②突变少利多害，符合人们需要、有利的品种比较少。

3．细胞产物的工厂化生产

（1）过程：

（2）原理：

植物细胞的全能性。

（3）应用举例：

人参皂甙、紫杉醇的工厂化生产。

（4）优点：

可以大量生产细胞产物，工厂化规模化程度高。

1．下图是利用某植物（基因型为AaBb）产生的花粉进行单倍体育种的示意图，据图判断，下列叙述错误的是（　　）

A．过程②通常使用的试剂是秋水仙素，作用时期为有丝分裂前期

B．通过过程①得到的植株既有纯合子又有杂合子

C．过程①属于植物的组织培养，在此过程中必须使用一定量的植物激素

D．与杂交育种相比，该育种方法的优点是能明显缩短育种年限

B　[该过程是单倍体植株育种过程，所以过程①是花药离体培养，获得的是单倍体植株，基因型为AB、Ab、aB、ab4种，经染色体加倍后的植株B都为纯合子；过程②使用秋水仙素使染色体数目加倍，其作用机理是抑制有丝分裂前期纺锤体的形成，到后期染色单体分开后不能向细胞两极移动；过程①属于植物组织培养，需要生长素和细胞分裂素的诱导。

]

2．下图所示为植株繁殖的四种人工方式示意图，请据图回答问题：

原生质体

（1）图中单倍体植株通常的获取方式是____________。

若图中单倍体细胞含2个染色体组，A植株有4个染色体组，则③过程所用化学试剂的作用是___________________。

（2）图中B和C植株的不同点是____________________，决定这种不同的主要因素是____________________。

（3）若想在C植株获得过程中获得突变体，进而培育成新品种植株，应用物理诱变或化学诱变的方法处理________。

（4）若要获得水稻的“人工种子”，则应选用图中的__________结构，该结构与正常受精卵形成的________有类似的结构和发育过程。

（5）若D植株为胡萝卜—羊角芹，②过程常用的物理方法有________________等；经融合处理后，已经融合的细胞类型（只考虑两两融合）有________种。

[解析]　本题主要考查植物细胞工程的原理和应用。

（1）图中A植株培育过程表示单倍体育种，获取单倍体时常用花药离体培养的方法。

若要使单倍体的染色体加倍，获得A植株，则需要在③过程中用秋水仙素处理幼苗，以抑制细胞有丝分裂过程中纺锤体的形成过程。

（2）图中B和C植株培育过程都是体细胞的组织培养，其不同点是B植株培育过程中形成的是胚状体，而C植株培育过程形成的是丛芽，这种不同主要的决定因素是细胞分裂素与生长素的比值。

（3）在组织培养过程中获得突变体，一般用物理诱变或化学诱变的方法处理愈伤组织，再由愈伤组织经再分化形成突变植株。

（4）若要获得水稻的“人工种子”，则应选用图中的胚状体结构，该结构与正常受精卵形成的胚有类似的结构和发育过程。

（5）D植株培育过程为植物体细胞杂交，②过程常用的物理方法有离心、振动、电激等；经融合处理后，已经融合的细胞类型（只考虑两两融合）有3种：

胡萝卜—胡萝卜融合细胞、羊角芹—羊角芹融合细胞和胡萝卜—羊角芹融合细胞。

[答案]　

（1）花药离体培养　抑制细胞有丝分裂过程中纺锤体的形成

（2）B过程中形成的是胚状体，而C过程形成的是丛芽　细胞分裂素与生长素的比值

（3）愈伤组织

（4）胚状体　胚

（5）离心、振动、电激　3

[课堂小结]

知识网络构建

核心语句归纳

1.微型繁殖实际是一种无性繁殖，能保证亲子代遗传特性不变。

2．人工种子是由人工种皮、胚状体和人工胚乳三部分组成的。

3．在植物育种上，单倍体经过染色体加倍，可以使后代迅速纯合，缩短育种年限。

4．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。

1．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

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。

]

2．下列有关植物组织培养的叙述，正确的是（　　）

A．愈伤组织是一团有特定结构和功能的薄壁细胞

B．二倍体植株的花粉经脱分化与再分化后可得到稳定遗传的植株

C．用人工薄膜将胚状体、愈伤组织等分别包装可制成人工种子

D．植物耐盐突变体可通过添加适量NaCl的培养基培养筛选而获得

D　[A项中愈伤组织是一团排列疏松而无规则、高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞，不具有特定的结构和功能；B项中二倍体植株的花粉中只含一个染色体组，培养得到的个体为单倍体，高度不育，其幼苗需用秋水仙素处理后才能稳定遗传；C项中愈伤组织不能用于制备人工种子；D项中用特定的选择培养基可筛选出所需要的突变体类型。

]

3．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的分生状态

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．DNA复制容易受抑制

A　[在植物组织培养过程中细胞一直处于不断的分生状态，即细胞的分裂能力很强，细胞在分裂过程中，容易受到外界培养条件和外界压力（如射线、化学物质等）的影响而发生基因突变，对细胞进行植物组织培养，可得到植物体，从这些个体中筛选出突变体，在突变体中筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。

]

4．下面的简式表示植物组织培养的大致过程，据此判断，下列叙述不正确的是（　　）

①

②

③→④

A．若①是不同植物体细胞融合的杂种细胞，则④可能出现不同植物的遗传特性

B．若①是花粉，则④是单倍体植株，经染色体加倍后可得到稳定遗传的品种

C．若①是人参细胞，对②进行扩大培养可提高细胞产物人参皂甙的产量

D．若①是具有杂种优势的农作物细胞，则用③进行直接繁育会发生性状分离

D　[不同植物体细胞融合的杂种细胞，经组织培养可表现两种生物的遗传性状。

植物组织培养属于无性繁殖，不会发生性状分离。

]

5．（2019·全国卷Ⅱ）植物组织培养技术在科学研究和生产实践中得到了广泛的应用。

回答下列问题。

（1）植物微型繁殖是植物繁殖的一种途径。

与常规的种子繁殖方法相比，这种微型繁殖技术的特点有_________________________

_______________________________________________________

_______________________________________（答出2点即可）。

（2）通过组织培养技术，可把植物组织细胞培养成胚状体，再通过人工种皮（人工薄膜）包装得到人工种子（如图所示），这种人工种子在适宜条件下可萌发生长。

人工种皮具备透气性的作用是__________________。

人工胚乳能够为胚状体生长提供所需的物质，因此应含有植物激素、________和________等几类物质。

（3）用脱毒苗进行繁殖，可以减少作物感染病毒。

为了获得脱毒苗，可以选取植物的________进行组织培养。

（4）植物组织培养技术可与基因工程技术相结合获得转基因植株。

将含有目的基因的细胞培养成一个完整植株的基本程序是

_______________________________________________________

_______________________________________（用流程图表示）。

[答案]　

（1）能保持植物原有的遗传特性，繁殖速度快

（2）有利于胚状体进行呼吸作用　矿质元素　糖

（3）茎尖

（4）含目的基因的细胞

愈伤组织

小植株