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第二章 第1节
植物细胞工程的应用
本节聚焦
1.通过对植物细胞工程应用实例的分析，了解这些应用涉及的技术流程和应用的优势。
2.认同植物细胞工程在生产实践中具有重要的应用价值。
知识回顾
1.植物组织培养概念：
指离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其分化为完整植株的技术。
2.植物组织培养原理：
植物细胞具有全能性
3.植物组织培养基本过程：
外植体→脱分化→愈伤组织→再分化→试管苗
4.植物组织培养过程中植物激素对植物细胞发育方向的影响：
生长素与细胞分裂素的比值高 有利于根的分化，抑制芽的形成
生长素与细胞分裂素的比值低 有利于芽的分化，抑制根的形成
生长素与细胞分裂素的比值适中 促进愈伤组织的形成
知识回顾
1.植物体细胞杂交的概念：
植物体细胞杂交是指将不同来源的植物体细胞，在一定条件
下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。
2.遵循原理：细胞膜具有流动性；细胞的全能性
3.两个标志：
（1）植物细胞融合完成的标志：再生出新的细胞壁
（2）植物体细胞杂交完成的标志：培育成新植物体
4.优点：
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面展示出独特的优势。
石斛：驱解虚热，益精强阴等疗效、观赏价值。
实际问题：经济苗木、名贵花卉、珍稀植物等自然繁殖速度缓慢，繁殖效率低下或优良性状不易保持……如何解决？
连翘：清热解毒、消肿散结、消炎
一、植物繁殖的新途径
（一）快速繁殖：
1.概念：
用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，也叫微型繁殖
2.生殖方式：
植物细胞的全能性
3.分裂方式：
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽
试管苗
一般为无性生殖
4.原理：
有丝分裂
5.特点：
(1)高效、快速地实现种苗的大量繁殖。
(2)保持优良品种的遗传特性。
(3)不受自然生长季节的限制，培养周期短。
(4)选材少，繁殖率高，便于自动化管理。
一、植物繁殖的新途径
（一）快速繁殖：
思考1：
思考2：
为什么植物组织培养可以进行快速繁殖？
为什么快速繁殖技术可以保持优良品种的遗传特性？
植物组织培养到愈伤组织阶段，细胞进行旺盛、快速的有丝分裂，从而获得大量的组织细胞。不断地对愈伤组织进行分割、移瓶、诱导再分化就可以形成大量的新植株。另外，植物组织培养在实验室进行，一般不受季节、气候等条件的限制。
该技术属于无性繁殖，培养过程中细胞有丝分裂、分化过程遗传物质保持不变，所获得的品种保持原优良品种的遗传特性。
一、植物繁殖的新途径
（一）快速繁殖：
6.应用：
快速繁殖经济林木、名贵花卉、珍稀濒危植物等自然繁殖速度缓慢，繁殖效率低下或优良性状不易保持的植物。
运用组织培养的途径，一个单株一年可以繁殖几万到几百万个植株，而且均来自单一的个体，可以保持优良品种的遗传特性。例如一株葡萄一年繁殖到3万多株，一株兰花一年繁殖到400万株。
铁皮石斛
君子兰
金花茶
扦插、压条、嫁接属于快速繁殖吗？
扦插、压条、嫁接等是营养繁殖，属于无性繁殖，但不属于微型繁殖技术。
一、植物繁殖的新途径
运用组织培养的途径，一个单株一年可以繁殖几万到几百万个植株，而且均来自单一的个体，可以保持优良品种的遗传特性。例如一株葡萄一年繁殖到3万多株，一株兰花一年繁殖到400万株。
1960年，荷兰科学家通过对兰花茎尖进行培养，获得了快速繁殖的脱毒兰花，随后在国内外进行了“兰花试管苗产业化”。
作物脱毒
（1）作物脱毒原因：用无性繁殖的方式进行繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传给后代，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。
脱毒作物的产量和品质明显优于没有脱毒的作物。
普通草莓
脱毒草莓
脱毒马铃薯田与被病毒感染的未脱毒马铃薯叶片(左上)。
(2)选材部位：
植物的顶端分生区附近(如茎尖和根尖)。
原因：植物分生区细胞病毒少，甚至没有病毒
注：脱毒苗不等于抗毒苗。
与微型繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。
脱毒过程
4.脱毒产品：马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等。
现有紫色非甜玉米（基因型AASS）和白色甜玉米（基因型aass），如何获得纯种的紫色甜玉米（基因型AAss）？
实际问题：传统的育种方法是通过杂交把两亲本的优良性状组合在同一后代中。
但缺点是：要不断进行(多年)纯化和选择，才得到一种符合理想要求的新品种。如何解决育种时间过长的问题？
二、作物新品种的培育
（一）单倍体育种：
单倍体：
由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而来的个体。
单倍体植株长得弱小，而且一般高度不育。
优良品种
花药
花粉
离体培养
单倍体
纯合二倍体
人工诱导
染色体加倍
选择
二、作物新品种的培育
（一）单倍体育种：
花药中的花粉
单倍体
幼苗
秋水仙素
处理
纯合体
筛选
优良性状
纯合体
愈伤组织
离体培养
脱分化
再分化
花药离体培养
(植物细胞的全能性)
思考：单倍体育种的目的不是获得单倍体植株？
育种原理？
秋水仙素处理
(染色体数目变异)
能够抑制纺锤体的形成，导致染色体不能移向细胞的两极，从而引起细胞内染色体数目加倍。
1.过程：
二、作物新品种的培育
（一）单倍体育种：
①极大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力。
杂交育种培育一个可以稳定遗传的作物优良品种，一般不断自交选优，常需5～6年。而单倍体育种当年就能培育出所需纯合体。
②后代都是纯合子，能稳定遗传。
③可作为进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。
大多数单倍体植株的细胞中只含一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性性状容易显现。
2.优点：
二、作物新品种的培育
（一）单倍体育种：
我国科学家在1974年成功培育出世界上第一个单倍体作物新品种——单育1号烟草。
我国科学家把单倍体育种与常规育种结合起来，育成水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物的新品种。
3.实例：
二、作物新品种的培育
（二）突变体的利用：
1.原理：
组织培养时，由于培养的细胞一直处于不断的分生状态，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。
3.原理：
2.过程：
外植体
新品种
筛选培育
愈伤组织
脱分化
多种突变体　
诱导分化
诱变处理
突变(基因突变+染色体变异）和植物细胞的全能性。
【思考】诱变处理的对象为什么要选择愈伤组织？产生的变异一定符合需要吗？
愈伤组织细胞不断分裂，细胞要进行DNA分子复制，因此更易发生突变。不一定，因为突变是不定向的。
二、作物新品种的培育
（二）突变体的利用：
通过人工诱变提高愈伤组织的突变率，加快育种进程，大幅度地改良某些性状。
突变具有不定向性、多害少利和低频性，因此需要处理大量突变材料，并从中筛选出符合人们需要的品种。
已筛选出抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的新品种，如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
抗除草剂白三叶草
抗花叶病毒的甘蔗
抗盐碱的烟草
4.优点：
5.缺点：
6.实例：
育种方法 原理 主要过程 优点
快速繁殖
突变体 的利用
单倍体 育种
植物体细 胞杂交
植物细胞的全能性
脱分化、再分化
保持优良品种的遗传特性
基因突变、
植物细胞的全能性
对愈伤组织进行诱变处理后再筛选
提高突变率，获得优良性状
植物细胞的全能性、染色体变异
花药离体培养、秋水仙素诱导染色体数目加倍
明显缩短育种年限
细胞膜的流动性、
植物细胞的全能性
原生质体融合、
杂种细胞组织培养
打破生殖隔离，实现远缘杂交
四种育种方法的比较
三、细胞产物的工厂化生产
抗除草剂白三叶草
抗花叶病毒的甘蔗
植物代谢
初生代谢：
次生代谢：
不是植物基本生命活动所必需的，一般在特定的组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行
产物
如糖类、脂质、蛋白质、核酸等。
产物
应用
一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等）
缺点
a、在植物抗病、抗虫方面发挥作用
b、也是很多药物、香料和色素等的重要来源
应用多、产量低
含量很低，从植物组织中提取会大量破坏植物资源，有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到。
利用植物细胞培养来获得目标产物
细胞产物的工厂化生产
区别？
（一）植物的代谢产物：
生物生长生存所必需的代谢活动，整个生命过程一直进行。
三、细胞产物的工厂化生产
抗除草剂白三叶草
抗花叶病毒的甘蔗
三、细胞产物的工厂化生产
抗除草剂白三叶草
抗花叶病毒的甘蔗
（二）细胞产物的工厂化生产：
在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。
植物细胞培养（细胞增殖）：
利用植物细胞培养来获得目标产物，这个过程就是细胞产物的工厂化生产。
植物组织培养技术
外植体
脱分化
愈伤组织
细胞悬液
细胞产物
培养、提取、破碎
分散开
去壁
（液体培养基）
注意：
① 材料？
②培养基？
一般培养到愈伤组织即可。因为此时细胞分裂旺盛，代谢快，有利于产物生成。
（液体培养液）有利于培养的细胞与营养物质充分接触。
1.概念：
2原理：
3.过程：
三、细胞产物的工厂化生产
抗除草剂白三叶草
抗花叶病毒的甘蔗
脱分化
培养选择
破碎细胞
放入发酵罐
工厂化生产人参皂苷干粉的基本流程
人参根
愈伤组织
增长速度快且人参皂苷含量高的细胞
细胞增殖
人参皂苷粉
用于植物细胞培养的反应器
4.实例：
（二）细胞产物的工厂化生产：
三、细胞产物的工厂化生产
抗除草剂白三叶草
抗花叶病毒的甘蔗
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
紫草宁——具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性
紫杉醇——具有高抗癌活性，已被用于乳腺癌等癌症的治疗
红豆杉→紫杉醇
紫草→紫草宁
人参→
人参皂苷
4.实例：
（二）细胞产物的工厂化生产：
三、细胞产物的工厂化生产
抗除草剂白三叶草
抗花叶病毒的甘蔗
植物组织培养和植物细胞培养的比较
比较项目 植物组织培养 植物细胞培养
目的
原理
过程
应用
植物细胞的全能性
细胞增殖
获得植物体
获得细胞产物
快速繁殖、作物脱毒、单倍体育种等
细胞产物的工厂化生产，如紫草宁、人参皂苷、紫杉醇等
总结

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