高中生物选修3
2.1.2 植物细胞工程的实际应用
学习目标
1.了解植物繁殖的新途径(重点)。2.结合植物组织培养的过程理解微型繁殖技术(重难点)。3.掌握如何利用植物组织培养技术培育脱毒苗和人工种子(重难点)。4.了解细胞产物的工厂化生产(重点)。
|基础知识|
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)微型繁殖技术属于无性(有性、无性)繁殖，能够保持优良品种的遗传性状。 2.作物脱毒
(1)选材部位：植物分生区附近，因为此处细胞内的病毒极少，甚至无病毒。 (2)优点：提高作物的产量和品质。 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)优点 a.制作周期短。
b.后代不会发生性状分离，能够保持亲本的优良性状。 c.生产不受季节、气候、地域的限制，节约土地。 二、作物新品种的培育 1.单倍体育种
(1)方法：花药离体培养。
离体培养人工诱导
(2)过程：花药――→单倍体植株染色体加倍――→纯合子植株。 (3)优点
a.后代是纯合子，能稳定遗传，不会发生性状分离。
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b.极大地缩短了育种年限。 2.突变体及其利用
(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，因此容易受到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。 三、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：植物组织培养技术。
3.实例：生产人参皂甙干粉，三七、紫草和银杏的细胞产物也都已经实现了工厂化生产。
|自查自纠|
1.微型繁殖技术只保持亲本的优良特性。(×)
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.在植物组织培养过程中，可以提取愈伤组织，经过人工薄膜包装得到人工种子。(×)
4.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。(√)
5.单倍体育种和突变体培育的遗传学原理是一致的。(×)
6.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是来自愈伤组织细胞。(√)
7.人工种子的培育也能说明植物细胞具有全能性。(×)
|图解图说|
思考1：为什么选取分生区的细胞病毒极少甚至无病毒？ 提示：分生区细胞分裂快，病毒来不及入侵，因此病毒极少。
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★人工种子示意图
思考2：为了避免细菌感染和害虫侵染，通常还往营养液中加入什么物质？ 提示：抗生素和农药
★人参皂甙的获取过程
1.用组织培养的方法获取人参皂苷只需进行到哪一步即可？ 2.为了获得单细胞或小细胞团可用什么方法？ 提示：1.进行到脱分化形成愈伤组织即可。 2.可用酶解法(用纤维素酶和果胶酶处理)
探究点一 植物繁殖的新途径
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1.微型繁殖是有性生殖还是无性生殖？ 提示 无性生殖。
2.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，还可以向人工种皮中加入哪些物质？
提示 适量的养分、无机盐、有机碳源、农药、抗生素及有益菌等。植物生长调节剂。
3.培养脱毒苗时如何选择材料？为什么？
提示 选择分生区附近的组织细胞，因为植物分生区附近的病毒极少，甚至无病毒。
人工种子的培育及优点
人工种子的培育也采用植物组织培养技术，但是只需培育得到胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等材料，再包上人工薄膜即可。人工种子萌发得到的幼苗能保持亲本的优良性状，另外人工种子的生产不受气候、季节和地域的限制，利于农业生产的规范化、标准化和机械化管理。
【典例1】 20世纪90年代，美国科学家采用基因工程技术首次培育出抗虫玉米新品种。如图为这一转基因玉米的主要培育过程。请据图回答有关问题：
(1)获取目的基因的途径除了从该细菌中直接分离抗虫基因，还可以__________。在基因工程中，常用的载体有______________等，而作为载体必须具备相应的条件，例如应具有__________________，以便进行筛选。
(2)转基因玉米细胞经过__________形成愈伤组织，经再分化形成胚状体，并进一步发育成试管苗。若要制备转基因玉米的人工种子，可选择上述实验过程中的__________并包裹合适的人工种皮。这样得到的种子和天然种子的主要区别在于
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_________________________________________________________________ ___________________________________________________________________。 人工种子的优点主要有___________________________________________ _________________________________________________(答出两点即可)。 [解析] (1)目的基因可以从自然界中已有的物种中分离出来，也可以用人工的方法合成。基因工程中常用的载体有质粒、动植物病毒和λ噬菌体的衍生物等，作为载体通常要具有标记基因，以便于重组DNA的鉴定和选择。(2)转基因植物细胞经脱分化形成愈伤组织，经再分化形成胚状体，进一步发育成试管苗。制备人工种子时，通常选用胚状体进行包装。人工种子是通过植物组织培养得到的，只具有一个亲本的性状，人工种子的产生属于无性生殖。人工种子的优点：①使繁殖能力差、结子困难或发芽率低的植物得以繁殖；②固定杂种优势；③是一种快捷高效的繁殖方式；④可人为控制植物的生长发育与抗逆性，不受季节、气候和地域的限制。
[答案] (1)人工合成 质粒、动植物病毒、λ噬菌体的衍生物 标记基因 (2)脱分化 胚状体 天然种子的获得属于有性生殖，细胞内含有双亲的遗传物质；人工种子的获得属于无性生殖，细胞内只含有一个亲本的遗传物质 ①使繁殖能力差、结子困难或发芽率低的植物得以繁殖； ②固定杂种优势(其他合理[答案]均可)
人工种子与单倍体育种的区别
人工种子采用的是微型繁殖技术，只要培育得到胚状体、不定芽、顶芽和腋芽，然后包上人工种皮即可。人工种子与微型繁殖得到的幼苗一样，都能保持亲本的优良性状。单倍体育种的优点是得到的植株能稳定遗传，明显缩短育种年限。单倍体育种从本质上说属于有性生殖。单倍体育种首先要进行花药离体培养，采用的也是微型繁殖技术。 【跟踪训练】
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1.如图为植物繁殖的几种人工方法示意图，请据图回答下列问题：
(1)图中单倍体植株通常的获取方法是__________________________________。 若图中单倍体植株体细胞中有2个染色体组，植株A体细胞中有4个染色体组，则②过程所用化学试剂的作用是________________________________________。 (2)图中植株B和植株C的培育过程的不同点是______________________，这种不同主要的决定因素是____________________。
(3)若想在植物组织培养的过程中获得突变体，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)若要获得玉米的人工种子，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。
[解析] (1)获得单倍体植株的常用方法是花药离体培养；常用秋水仙素处理单倍体幼苗，使其染色体加倍。秋水仙素的作用机理是抑制纺锤体的形成。(2)植株B的培育过程中，愈伤组织经诱导形成胚状体，进而发育成植株；而植株C的培育过程中，愈伤组织经诱导形成丛芽，进而发育成植株。这种不同取决于培养基中生长素和细胞分裂素的含量比。(3)若要获得突变体，应对愈伤组织进行诱变处理，因愈伤组织处于分生状态，进行旺盛的DNA复制，易诱发突变。(4)人工种子由胚状体包裹人工薄膜得到，胚状体具有生根发芽能力，类似于由受精卵形成的胚。
[答案] (1)花药离体培养 抑制纺锤体的形成 (2)植株B的培育过程中形成的是胚状体，而植株C的培育过程中形成的是丛芽 培养基中细胞分裂素与生长素的含量比
(3)愈伤组织 (4)胚状体 胚
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探究点二 作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产 1.完成表格：单倍体育种和突变体利用的比较。 项目 单倍体育种 突变体利用 原理 染色体变异 优点 明显缩短育种年限 成果 单育1号烟草品种，中花8号、11号水稻和京花1号小麦品种等 基因突变 产生新基因，大幅度抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的野生改良某些性状 烟草等 2.组织培养技术除了在农业上的应用外，还广泛应用于另一个重要的领域，即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。
(1)写出细胞产物工厂化生产流程。
脱分化分散开
外植体(离体的植物器官、组织或细胞)――――→愈伤组织――――→细胞悬液发酵、提取――――――→细胞产物
(2)完善下列工厂化生产人参皂甙的基本过程。
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。
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。
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。
【典例2】 利用植物组织培养技术从红豆杉细胞中提取抗癌药物紫杉醇，不需
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要进行的是( )
A.选取合适的外植体并对外植体进行消毒
B.培养基中加入适量的蔗糖，以提供营养并维持渗透压 C.控制植物激素的种类和含量诱导产生愈伤组织 D.选择适当的分化培养基培育红豆杉幼苗
[解析] 植物组织培养需要选取合适的外植体并对外植体进行消毒，以防止杂菌污染，A正确；培养基中加入适量的蔗糖，蔗糖既可提供营养又能维持渗透压，B正确；脱分化过程中需控制植物激素的种类和含量，C正确；从红豆杉细胞中提取抗癌药物紫杉醇，只需培养到愈伤组织阶段，不需培育红豆杉幼苗，D错误。 [答案] D 【跟踪训练】
2.下列关于植物组织培养及其应用的说法中，错误的是( ) A.植物体任何部位的活细胞均可作为组织培养的外植体 B.不同培养阶段的培养基中生长素与细胞分裂素的比例应不同 C.单倍体育种和转基因植物的培育需要利用植物组织培养技术 D.利用植物组织培养技术可实现某些重要细胞产物的工厂化生产
[解析] 用于组织培养的细胞必须具有完整的细胞核，但是植物体有些部位的细胞不含细胞核，如成熟的筛管细胞无核；组织培养过程中的脱分化和再分化阶段所需的生长素、细胞分裂素的比例不同；单倍体育种和转基因植物的培育都要经过植物细胞到植株的过程，需要用植物组织培养技术。 [答案] A
知识脉络 要点晨背 8
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1.植物分生区附近的病毒极少，所以培育脱毒作物常选用分生区附近的组织作为材料。 2.植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽作为材料，经人工薄膜包裹即得到人工种子。 3.单倍体育种的原理是染色体变异，将花药离体培养得到单倍体幼苗，再用秋水仙素处理即可。单倍体育种可明显缩 短育种年限。 4.植物组织培养过程中，细胞处于分生状态，容易发生突变而形成突变体。
1.下列属于微型繁殖的是( ) A.马铃薯的块茎繁殖 C.杨树的扦插繁殖
B.胡萝卜根的形成层繁殖 D.果树的嫁接繁殖
[解析] 人们形象地把用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，叫作植物的微型繁殖技术，也叫快速繁殖技术，A、C、D项所描述的均属于营养生殖，只有B项运用植物组织培养技术，属于微型繁殖。 [答案] B
2.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裂状态 B.培养基营养丰富，易于植物生长 C.纺锤丝的形成容易受到抑制 D.DNA复制容易受到抑制
[解析] 在植物组织培养过程中，由于培养的细胞一直处于不断的分裂状态，因此容易获得突变体。
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[答案] A
3.科研人员研究了马铃薯茎尖外植体大小对幼苗的成苗率和脱毒率的影响，结果如图。相关叙述错误的是( )
A.培育脱毒苗所依据的原理有基因突变和细胞全能性 B.培育脱毒苗的过程中涉及脱分化和再分化两个阶段 C.实验结果表明茎尖越小脱毒率越高，成苗率越低 D.根据本实验，培养脱毒苗时茎尖的适宜大小为0.27 mm
[解析] 马铃薯茎尖病毒极少甚至无病毒，因此可利用马铃薯茎尖进行组织培养形成脱毒苗，所依据的原理是细胞全能性，A错误；培育脱毒苗的过程中涉及脱分化和再分化两个阶段，B正确；由图可知，茎尖越小，脱毒率越高，成苗率越低，C正确；在茎尖外植体大小为0.27 mm时，脱毒率和成苗率均较高，因此马铃薯脱毒培养中茎尖外植体的适宜大小为0.27 mm，D正确。 [答案] A
4.对人参皂甙干粉工厂化生产，下列哪种技术是必需的( ) A.诱变育种 C.细胞工程
B.基因工程 D.花药离体培养
[解析] 根据教材知识可知，利用植物组织培养技术将离体的人参组织培养至愈伤组织即可用于工厂化生产，因此，植物组织培养技术(属于细胞工程)是必需的。 [答案] C
5.下列有关植物细胞工程应用的叙述，错误的是( ) A.利用组织培养技术培育脱毒苗，获得具有抗病毒的新品种 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.利用组织培养技术获得紫草素，实现了细胞产物的工厂化生产
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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的障碍
[解析] 利用植物的幼嫩的芽或茎进行植物组织培养可以培育脱毒苗，但不能获得抗病毒的新品种，A错误；利用植物组织培养技术获得人工种子，能保持亲本的优良性状，B正确；利用组织培养技术获得紫草素，实现了细胞产物的工厂化生产，C正确；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的障碍，D正确。 [答案] A
6.下列关于植物细胞工程的叙述，错误的是( ) A.电刺激可以诱导植物原生质体的融合
B.用花粉离体培养获得的抗病植株，其细胞仍具有全能性 C.诱导离体胡萝卜韧皮部细胞形成幼苗的过程中没有出现基因重组 D.通过体细胞杂交技术培育杂种植株的过程不涉及染色体数目变异
[解析] 诱导离体胡萝卜韧皮部细胞形成幼苗的过程是有丝分裂，基因重组发生在减数分裂过程中，C正确；通过体细胞杂交技术培育杂种植株的过程染色体数目变成了原来两种植物的染色体之和，D错误。 [答案] D
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高中生物选修3精品学案：2.1.2 植物细胞工程的实际应用
