22植物细胞工程 教案苏教版选修3.docx
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22植物细胞工程教案苏教版选修3
第二节
植物细胞工程
●课标要求
简述植物的组织培养。
●课标解读
1.举例说明植物组织培养的原理、过程及应用。
2.对比植物组织培养,简述植物细胞培养的过程及应用。
3.举例说出植物体细胞杂交过程及应用。
●教学地位
植物组织培养技术解决了人类生存的关键问题(粮食问题),为人类创造了巨大的财富。
植物克隆的技术基础“植物的细胞和组织培养”及理论基础“植物细胞的全能性”为近年高考的重点,常以模式图、流程图或选择题的形式考查。
●教法指导
1.细胞的全能性是植物组织培养的理论基础。
可采取先由学生去阅读教材P45有关内容,课件展示几个层层深入的问题,如“什么是细胞的全能性”、“为什么细胞具有全能性”、“全能性的体现”、“植物全能性实现的条件”等。
由学生分组进行讨论,通过小组互评方式总结问题的答案。
2.组织培养是植物细胞工程的技术基础,可先由课件展示胡萝卜的形成层细胞离体进行组织培养的流程,学生归纳基本程序,同时给予校正,并对两个关键环节“脱分化、再分化”进行重点剖析。
3.通过与植物组织培养比较的方法学习植物细胞培养,并让学生总结两项技术的相同点和不同点。
4.先通过课件演示植物体细胞杂交的过程,思考各个过程的原理和方法。
●新课导入建议
上节课展示了花卉和苗木快速繁殖的工厂化生产,花卉和苗木快速繁殖需要怎样操作?
经过怎样的过程?
●教学流程设计
课前自主探究:
阅读教材P45~52,有关内容,填写【课前自主导学】空白,完成思考交流1、2。
⇒步骤1:
情景导课:
以【新课导入建议】导入新课。
⇒步骤2:
尝试作答【课前自主导学】部分的【正误判断】,检查自学效果。
⇒步骤3:
学生讨论回答细胞全能性的概念、原因、细胞表现全能性的条件,通过【课堂互动探究】探究1归纳总结,通过例1强化。
⇓
步骤6:
诵读【结论语句】,尝试构建最优知识网络图解,互评后参看【本课知识小结】的网络构建。
完成【当堂双基达标】。
⇐步骤5:
展示植物体细胞杂交过程后,学生回答植物细胞杂交过程,每一步的的原理、方法,通过【课堂互动探究】探究3归纳总结,通过例3加深理解。
⇐步骤4:
学习教材P45,学生总结植物组织培养的过程,引导学生讨论人工种子和天然种子的不同。
学生回答植物细胞培养与植物组织培养的异同,通过【课堂互动探究】探究2归纳总结,通过例2强化提高。
课 标 解 读
重 点 难 点
1.举例说明植物组织培养的原理、过程及应用。
2.对比植物组织培养,简述植物细胞培养的过程及应用。
3.举例说出植物体细胞杂交过程及应用。
1.植物细胞的全能性。
(重点)
2.植物组织培养的过程。
(重难点)
3.植物体细胞杂交的过程。
(重难点)
植物组织培养
1.植物细胞的全能性
(1)全能性:
已分化的细胞都具有发育成为一个新的生物个体的潜能。
(2)原因:
几乎每一个细胞内都含有该物种的全套遗传物质。
(3)证据:
植物的体细胞在适宜的条件下可培育成完整的正常植株。
2.植物组织培养
(1)原理:
细胞的全能性。
(2)材料:
植株的茎尖、根尖、叶片和花药等。
(3)过程
器官原生质体已经分化愈伤组织
结构和功能旺盛分裂薄壁细胞诱导分化胚芽
1.诱导愈伤组织分化时需要的植物激素主要有哪些?
【提示】 生长素和细胞分裂素。
3.人工种子:
胚状体外包裹人工胚乳和人工种皮制成。
(1)结构
人工种皮海藻酸钠人工胚乳碳水化合物微胶囊
(2)优点:
①不受环境因素的制约;②繁殖速度快;③有利于保存该种系的优良性状。
(3)应用:
在濒危植物保护、经济植物快速繁殖等方面具有广阔的应用前景。
植物细胞培养
1.细胞来源:
组织培养过程中形成的愈伤组织或其他易分散的组织。
2.培养方法:
在液体培养基中进行悬浮培养。
3.培养结果:
通过继代培养获得大量细胞群体。
4.培养目的:
获得人类所需的细胞次生代谢产物。
5.培养过程:
筛选细胞―→获得次生代谢产物含量高、生长迅速的单细胞无性繁殖系―→扩大培养―→发酵生产―→次生代谢产物分离纯化。
6.优点
(1)可大量生产具有生理活性的次生代谢产物。
(2)生产过程快速、高效,而且不受季节、外部环境等条件的限制。
2.植物细胞培养与植物组织培养有何区别?
【提示】 培养目的不同,植物组织培养的目的是得到更多的组织和植物体,植物细胞培养的目的是为了获得人类所需的细胞次生代谢产物。
植物细胞工程与育种
1.植物原生质体培养与体细胞杂交
(1)原生质体:
指去除植物细胞壁后获得的裸露的植物细胞结构等。
(2)原生质体的来源:
①各种植物的叶片、根尖等部位。
②从组织培养产生的愈伤组织中获得。
(3)制备原生质体的方法:
利用纤维素酶、果胶酶等去除细胞壁,然后再用低速离心或采用相对密度漂浮法分离纯化并鉴定其活性。
(4)原生质体的用途:
①用于细胞培养或体细胞杂交。
②用于细胞工程的诱导融合、遗传操作。
因为原生质体能摄入DNA、质粒、病毒、细菌、细胞器等外源物质。
(5)植物体细胞杂交过程:
不同来源植物细胞
不同细胞原生质体
融合的原生质体
杂种细胞
愈伤组织
杂种植株。
(6)实例:
白菜—甘蓝品种的获得。
2.单倍体诱导与利用
(1)过程:
花粉
单倍体胚或愈伤组织
花粉植株
纯合的二倍体植株。
(2)优点:
缩短育种周期、获得纯系等。
1.植物的种子发育成完整植株体现了细胞的全能性。
(×)
【提示】 因为种子中的胚已完成了早期发育,相当于新植物体的幼体,没有体现细胞发育成完整植物体。
2.植物组织培养技术的原理是植物细胞具有全能性。
(√)
3.人工种子与天然种子繁殖的方式相同。
(×)
【提示】 天然种子是有性繁殖,人工种子是无性繁殖。
4.植物细胞培养的目的是为了得到植物新个体。
(×)
【提示】 植物细胞培养的目的是为了获得细胞的次生代谢产物。
5.两种细胞的原生质体融合后形成的融合细胞只有一种。
(×)
【提示】 只考虑两两融合的情况,会产生AA、BB、AB三种类型的融合细胞。
6.单倍体育种即是通过花药的离体培养形成新品种的过程。
(×)
【提示】 花药培养形成的植株是单倍体,高度不育,需经秋水仙素处理形成二倍体或多倍体才形成可育的新品种。
细胞的全能性
【问题导思】
①如何判断一种生命现象是否体现了细胞的全能性?
②细胞的全能性表达需要哪些条件?
1.细胞全能性的原因(物质基础)
生物体的每个细胞都含有该物种所特有的全套遗传信息,都有发育成为个体所需要的全部基因。
从理论上来说,一个染色体组中含有发育成该物种的个体所需的全部基因。
2.细胞全能性大小的比较
(1)植物细胞>动物细胞(动物细胞只有细胞核具有全能性)。
(2)受精卵>生殖细胞(精子、卵细胞)>体细胞。
(3)体细胞:
分化程度低的>分化程度高的,细胞分裂能力强的>细胞分裂能力弱的,幼嫩的细胞>衰老的细胞。
3.实现细胞全能性的条件
材 料
离体的细胞、组织或器官
营养条件
种类齐全、比例合适的营养物质
激素条件
常用的有生长素和细胞分裂素,如2,4D、萘乙酸、吲哚乙酸和吲哚丁酸等,用于诱导细胞的分裂和根的分化。
环境条件
①无菌操作;②光照;③适宜温度
离体的植物细胞、组织和器官脱分化形成愈伤组织时,需避光处理。
愈伤组织再分化形成植物幼苗时,需光照处理。
(多选)(2012·江苏高考)下列事实能体现细胞全能性的是( )
A.棉花根尖细胞经诱导形成幼苗
B.单细胞的DNA在体外大量扩增
C.动物杂交瘤细胞产生单克隆抗体
D.小鼠体细胞经诱导培育成小鼠
【审题导析】 证明细胞全能性的实例必须满足三个条件:
起点:
高度分化的细胞;终点:
形成完整的个体;外部条件:
离体、营养物质。
【精讲精析】 细胞全能性是指已分化的细胞,仍然具有发育成完整个体的潜能,所以判断是否体现细胞全能性的依据是看其能否发育成完整个体,选项中只有A、D项符合。
B项DNA的扩增和C项杂交瘤细胞的培养分别属于分子和细胞水平上的克隆,不能体现细胞全能性。
【答案】 AD
植物组织培养与植物细胞培养的比较
【问题导思】
①植物组织培养与植物细胞培养的区别是什么?
②植物组织培养与植物细胞培养有什么关系?
植物组织培养
植物细胞培养
利用原理
细胞全能性
细胞增殖
培养基
固体培养基
液体培养基
培养对象
离体的植物器官、组织、细胞或原生质体
由愈伤组织分散得到的悬浮细胞
培养过程
外植体→脱分化→再分化→芽、根→植物幼苗
愈伤组织→分散成悬浮细胞→继代培养→细胞次生代谢产物
培养目的
植物幼苗
细胞的次生代谢产物
二者关系
细胞植物培养是在植物组织培养技术的基础上发展起来的;它们都属于植物细胞工程的范畴
植物组织培养中的脱分化、再分化过程的比较
过程名称
过程
形成体特点
条件
脱分化
由离体细胞发育成为愈伤组织
排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞团
①离体;②提供营养物质(有机物、无机物);③提供激素(生长素、细胞分裂素等);④提供其他适宜条件(温度、无菌)
再分化
由愈伤组织发育成为丛芽或胚状体
有根、芽或有生根发芽的能力
(2013·漯河高二月考)下图是植物组织培养的简图。
请据此回答:
①
②
③―→④
(1)①表示______________________,它能被培养成为④的根本原因是________________________。
(2)③→④过程需要光照,原因是____________________________。
(3)若想培育作物脱毒苗,①常选用植物的__________;若想制作人工种子,应该选用__________(填编号)。
(4)若①是花粉,则④是__________,这项技术可用在________(填育种方法)上。
(5)若①是胡萝卜根尖细胞,则培养成的④的叶片颜色是________,这说明了根尖细胞____________,与叶肉细胞相比,④的根细胞没有叶绿素,这是________________的结果。
(6)紫草素是紫草的细胞产物,可用于制造治疗烫伤、割伤的药物,若用此项技术生产紫草素,培养将进行到________(填编号)。
【审题导析】
(1)求解识图作答题的第一步是识图,识别出图中的结构和过程,然后再结合图形,根据所学知识逐项分析回答。
(2)根据图解,图中①、②、③、④分别表示离体的植物器官、组织或细胞(外植体)、愈伤组织、丛芽或胚状体、幼苗。
【精讲精析】
(1)由于细胞具有全能性,所以①能被培养成为④。
(2)③→④过程是叶等器官分化形成的过程,叶绿素的形成需要光照条件。
(3)若想培育作物脱毒苗,需要选用无毒的外植体,植物茎尖的分生组织具有旺盛的分裂能力,没有病毒入侵;若想制作人工种子,应该选用③。
(4)花粉离体培养获得的是单倍体植株,单倍体植株可用于单倍体育种。
(5)根细胞具有发育成为完整个体所必需的全部基因,所以根细胞培养成的④的叶片是绿色的,由于基因的选择性表达,④的根细胞没有叶绿素。
(6)愈伤组织能大量产生细胞产物,用组织培养技术生产紫草素应将培养进行到愈伤组织阶段。
【答案】
(1)离体的植物器官、组织或细胞 细胞中含有发育成为完整个体所必需的全部遗传信息(全能性)
(2)芽发育成叶,叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件 (3)茎尖 ③ (4)单倍体 单倍体育种 (5)绿色 具有全能性 基因选择性表达 (6)②
利用植物体细胞杂交培育新品种
【问题导思】
①利用植物体细胞杂交培育新品种的原理是什么?
②利用植物体细胞杂交培育新品种的操作包括哪些步骤?
1.概念
植物体细胞杂交就是将不同种的植物体细胞,在一定条件下融合成杂种细胞,并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。
2.原理
原生质体的融合依赖于细胞膜的流动性。
将杂种细胞培育成杂种植株是组织培养的过程,依赖于植物细胞的全能性。
3.过程
植物体细胞杂交其过程可概括为四步:
第一步,去除细胞壁。
因为要获得的必须是有活力的原生质体,所以常用酶解法(纤维素酶和果胶酶)。
第二步,诱导原生质体融合,这是关键环节。
人工诱导的方法可分为物理法和化学法两大类。
物理法包括离心、振动、电激等;化学法一般是用聚乙二醇(PEG)作为诱导剂来诱导细胞融合。
第三步,由杂种细胞再生出新细胞壁。
第四步,进行植物组织培养,得到杂种植株。
4.实质
植物体细胞杂交的实质就是两个不同种的植物细胞融合为一个植物细胞的过程,由于杂种细胞具备了双亲的遗传物质,所以得到的杂种植株就有可能具备双亲的遗传性状。
1.植物体细胞杂交完成的标志是新细胞壁的形成。
2.体细胞融合成功以后,既有AB型杂种细胞,还能形成AA型和BB型两种融合细胞,但只有AB型细胞是植物体细胞杂交所需要的杂种细胞,因此在杂种细胞形成后还应有一个筛选过程。
3.植物体细胞杂交过程仍以植物组织培养为前提,通过植物组织培养完成杂种植株的培育过程。
下图为“番茄—马铃薯”的培育过程示意图,请据图回答:
(1)在“番茄—马铃薯”的培育过程中,主要运用了植物细胞工程中的______________技术,原理是_____________。
(2)可用____________________对番茄和马铃薯细胞进行处理获得原生质体;诱导番茄和马铃薯原生质体融合的化学试剂一般用____________________________。
(3)愈伤组织常用作诱变育种的理想材料,理由是_________________________________________________。
(4)不同物种生物之间存在着天然的__________,用传统的有性杂交方法不可能得到二者的杂种后代,而体细胞杂交可以克服远源杂交不亲和的障碍。
(5)植物组织培养的培养基中除了含有一定的营养物质之外,还必须含有______从而促进愈伤组织的形成和再分化。
【审题导析】
(1)番茄—马铃薯的培养过程包括去除细胞壁、促融和杂种细胞的培养。
(2)原生质体的融合利用了膜的流动性,杂种细胞培养成杂种植物利用了细胞的全能性。
【精讲精析】
(1)要形成番茄—马铃薯杂交植株,必须通过植物体细胞杂交。
该技术运用了细胞膜具有流动性的原理及植物细胞具有全能性的原理。
(2)植物体细胞杂交时,首先要用酶解法去除细胞壁,形成原生质体,然后用促融方法促进原生质体融合,常用的化学促融剂是聚乙二醇(PEG)。
(3)愈伤组织具有旺盛的分裂增殖能力,不断进行DNA复制,容易发生基因突变,因此,可施予一些诱导因素,使其发生更多的变异。
(4)自然条件下,物种之间存在生殖隔离。
(5)植物组织培养基除含有水、矿质离子、蔗糖、维生素等营养物质外,还必须含有一定浓度的植物激素,如生长素、细胞分裂素,它们存在的比例不同,可分别诱导根或芽的分化。
【答案】
(1)植物体细胞杂交 细胞膜的流动性和细胞的全能性
(2)纤维素酶和果胶酶 聚乙二醇(PEG)
(3)愈伤组织处于不断地分生状态,容易受到培养条件的影响而产生基因突变
(4)生殖隔离
(5)植物激素(植物生长调节剂)
本课知识小结
网络构建
结论语句
1.细胞的全能性是指构成生物体的每个细胞都具有发育成一个新的生物个体的潜能。
2.植物细胞工程的技术基础是植物组织培养。
3.细胞全能性与分化程度有关,一般是受精卵>生殖细胞>干细胞>体细胞。
4.植物组织培养中植物激素是启动细胞分裂、分化的关键因素。
5.植物组织培养中常用的植物激素是生长素和细胞分裂素。
1.植物细胞表现出全能性的必要条件是( )
A.给予适宜的营养和外界条件
B.导入其他植物细胞的基因
C.脱离母体后,给予适宜的营养和外界条件
D.将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内
【解析】 高度分化的植物细胞的全能性只有在离开母体后才能表现出来。
成熟筛管的细胞无细胞核。
导入其他植物细胞的基因属于基因工程,与细胞的全能性没有必然的联系。
【答案】 C
2.(多选)(2012·苏州高二检测)将胡萝卜韧皮部细胞培养成幼苗时,下列条件中一定需要的是( )
A.具有完整细胞核的细胞
B.一定的营养物质和植物激素
C.离体状态
D.导入目的基因
【解析】 在进行植物组织培养时不需要导入目的基因。
【答案】 ABC
3.(2013·重庆高考)某兴趣小组拟用组织培养繁殖一种名贵花卉,其技术路线为“取材→消毒→愈伤组织培养→出芽→生根→移栽”。
下列有关叙述,错误的是( )
A.消毒的原则是既杀死材料表面的微生物,又减少消毒剂对细胞的伤害
B.在愈伤组织培养中加入细胞融合的诱导剂,可获得染色体加倍的细胞
C.出芽是细胞再分化的结果,受基因选择性表达的调控
D.生根时,培养基通常应含α萘乙酸等生长素类调节剂
【解析】 消毒剂的使用既要杀死表面微生物,又要防止伤害组织细胞,影响组织培养,A项正确;植物细胞融合是指经纤维素酶和果胶酶处理后得到的原生质体的诱导融合,带有细胞壁的愈伤组织细胞不能诱导融合形成染色体加倍的细胞,B项错误;出芽和生根都是细胞再分化的结果,其实质是基因的选择性表达,C项正确;α萘乙酸为生长素类似物,可诱导愈伤组织生根,D项正确。
【答案】 B
4.(2013·淮安高二检测)下列有关植物体细胞杂交的叙述,不正确的是( )
A.用酶解法去掉细胞壁,分离出有活力的原生质体
B.诱导两种植物的原生质体融合,进而形成杂种细胞
C.植物体细胞杂交的最终目的是获得细胞代谢产物
D.植物体细胞杂交技术可以克服不同物种间杂交不亲和的障碍
【解析】 植物体细胞杂交的最终目的是获得杂种植株,克服不同物种间的杂交育种障碍。
【答案】 C
5.美国科学家将分离得到的成熟的胡萝卜根的韧皮部细胞进行培养,由单个细胞发育成了完整的新植株。
过程图解如下,回答与之有关的问题:
(1)科学家所用的这种生物技术叫做____________。
依据的理论基础是植物细胞具有________性。
②过程称为________,③过程称为________,C经________________形成D。
(2)通过②过程产生的愈伤组织细胞与根的韧皮部细胞在染色体的数目上是否相同?
________;染色体上所含的遗传物质是否相同?
________;细胞的形态结构是否相同?
________。
(3)在培养过程中,除了提供水分、无机盐、糖类、维生素以及氨基酸外,还需要在培养基中加入________。
同时,在培养过程中,除必需的温度、光照和氧气等外界条件外,成功的另一个关键是操作过程必须保证________。
(4)从育种的角度来看,植物组织培养与有性繁殖相比,优势主要有(列举两条)______________________________。
【解析】 题图展示了一个植物组织培养的过程,培养的过程中经过脱分化和再分化,再分化过程中有细胞分裂和细胞分化。
在整个培养过程中细胞的分裂方式都是有丝分裂。
因此,愈伤组织细胞与根的韧皮部细胞在染色体数目上是相同的,但由于基因的选择性表达,不同组织细胞的形态结构不同。
在培养的整个过程中除了适宜的物质条件外,还必须保证无菌。
植物组织培养具有保持母本的性状,培养周期短,繁殖效率高,能培育无病毒植株等优点。
【答案】
(1)植物组织培养 全能 脱分化 再分化 细胞分裂和细胞分化
(2)相同 相同 不同 (3)植物激素(或植物激素类似物) 无菌 (4)能保持母本的性状;培养周期短,繁殖效率高;能培育无病毒植株(列出两条即可)
一、选择题
1.细胞具有全能性的原因是( )
A.体细胞具有发育成完整个体的潜能
B.生物体的每个细胞都具有全能性
C.生物体的每个细胞都含有个体发育的全部基因
D.生物体的每个细胞都是由受精卵发育成的
【解析】 A项中指的是细胞的全能性,并非细胞全能性的原因。
细胞之所以具有全能性,是由于细胞中含有发育为完整个体所必需的遗传物质,所以从理论上讲,生物体的每一个细胞都具有全能性。
【答案】 C
2.(2011·上海高考)下列关于植物组织培养的叙述,错误的是( )
A.外植体可以来自于植物的任何细胞
B.培养应在无菌条件下进行
C.以花粉作为外植体可得到单倍体植株
D.不同阶段的培养基中细胞分裂素和生长素的比例不同
【解析】 植物组织培养的原理是细胞的全能性,所以作为植物组织培养的细胞必须有完整的细胞核。
【答案】 A
3.如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( )
①
②
③―→④
A.④、② B.③、②
C.③、④D.④、③
【解析】 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,无需获得植株。
【答案】 B
4.甘薯是无性繁殖的生物,种植多年后易积累病毒而导致作物产量降低,品质变差。
目前生产上采用甘薯茎尖分生组织,进行组织培养可以获得大量的脱毒苗,以保证该品种的品质和产量水平,这种通过组织离体培养获得种苗的过程不涉及细胞的( )
A.有丝分裂 B.细胞分化
C.减数分裂D.细胞的全能性
【解析】 减数分裂是有性生殖过程中的一种细胞分裂方式,植物组织培养属于无性生殖,所以并不涉及细胞的减数分裂。
【答案】 C
5.在离体的植物器官、组织或细胞分化形成愈伤组织的过程中,下列哪一项条件是不需要的( )
A.消毒灭菌B.适宜的温度
C.充足的光照D.适宜的养料和激素
【解析】 离体的植物组织、器官或细胞无营养物质来源,在培养形成愈伤组织的过程中必须在严格的无菌条件下进行,并且需要适宜的温度、适宜的养料和激素。
此过程在恒温箱内进行,不必见光,因为见光后会影响愈伤组织的形成。
【答案】 C
6.(2013·榆林高二测试)如图是人工种子的结构简图,下列对其叙述不正确的是( )
A.人工种子的胚乳中含有胚状体发育所需要的营养物质,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粮食
C.人工种子克服了有些作物品种繁殖能力差、结子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】 人工种子是经植物组织培养获得的具有生根发芽能力的胚状结构后,包裹上人工种皮而形成的。
在人工种子的胚乳中除了添加种子萌发所需的营养物质外,还可以添加农药、植物激素、固氮菌等。
【答案】 D
7.(2013·三源中学月考)如图是关于植物组织培养及应用的示意图,关于此生物技术叙述合理的是( )
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ―→Ⅳ
图a
图b
A.利用植物组织培养技术制造人工种子,应选用图a中的Ⅲ
B.利用物理或化学的手段诱导Ⅳ阶级细胞发生基因突变,培育突变新品种的效果最好
C.通常人工种子中被包入的固氮菌在生态系统中属于消费者
D.人工种子中的胚状体与正常种子中的胚都是新个体的幼体,都具有一个亲本的遗传物质
【解析】 A正确:
图a中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别表示离体的细胞(组织或器官)、愈伤组织、胚状体和植物体,制造人工种子应选用Ⅲ;B项误:
培育突变新品种应选择分裂旺盛、易发生基因突变的Ⅱ(愈伤组织)细胞;C错误:
通常人工种子中被包入