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第2章 细胞工程
第1节 植物细胞工程
二、植物细胞工程的应用
植物细胞工程在生产实践中有哪些应用？
植物细胞工程应用于生产实践的主要优势是什么？
本节聚焦
1
2
背景：兰花因高雅美丽而深受人们喜爱。兰花常用分根法和种子进行繁殖。在兰花的常规繁殖中，遇到的难题是：用分根法繁殖速度缓慢，不利于新品种的推广;用种子繁殖又很困难，因为兰花的种子十分微小，胚很纤弱，种子几乎没有储藏营养物质，在发芽过程中很容易夭折。
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？
【从社会中来】
“手指植物”通常培育在装有彩色固体培养基的小玻璃瓶中，只要保证充足的光照和适宜的温度，不需要额外补充水分和营养物质，它们就能在玻璃瓶中生长三四个月之久。
“手指植物”的制作方法用到了植物组
织培养技术。在制作过程中，一定要注意做好灭菌和消毒工作，为了防止污染可在培养基中加入一定量的抑菌剂。另外，还可以根据个人喜好，在培养基中加入适量的色素或者荧光剂，使“手指植物”更具有观赏价值。
【到社会中去】
1.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。也叫微型繁殖技术。
01
植物繁殖的新途径
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽
试管苗
（2）生殖方式：
一般为无性生殖
其细胞分裂方式是有丝分裂，亲、子代细胞DNA相同，所以可以保持亲代优良的遗传特性。
（3）原理：
植物细胞的全能性
*扦插、压条、嫁接等不属于微型繁殖技术；
多肉也可进行叶插繁殖
1.选取多肉上健康、饱满的叶片。
2.用剪刀或直接用手轻轻掰下叶片。
3.平放沙床，叶片间隔相聚2~3厘米
4.叶片切口不要碰脏，摆放通风处2~3天晾干
5.待叶片晾干后移至半阴处养护。
6.约2~3周后生根，或从叶基处长出不定芽
7.叶插成功
【思考】植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么？
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。
（5）应用：
快速繁殖经济苗木、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。
（4）优点：
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可实现工业化生产。
8
甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产，已形成一定规模。
铁皮石斛的工厂化生产
马铃薯
1.脱毒原因
草莓
香蕉
感染的病毒很容易传给后代
无性繁殖
病毒在作物体内积累
作物产量降低品质变差
01
植物繁殖的新途径
2.作物脱毒
脱毒马铃薯田与被病毒感染未脱毒马铃薯叶片
2.脱毒方法
取材：顶端分生区附近
植物组织培养
脱毒苗
3.优点
明显提高农作物的产量和品质
4.实例
在马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等许多作物上获得成功。
01
植物繁殖的新途径
选材原因：该部位的病毒极少，甚至无病毒。
取如茎尖、根尖：
脱毒苗不等于抗毒苗。
脱毒苗是选择植物的茎尖进行组织培养而获得的，只是体内不含病毒，不能抵抗病毒侵染，遗传物质没有发生改变；
抗毒苗培育是采用某抗病基因导入植物细胞等方法，遗传物质发生改变；
脱毒苗 与微型繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。
P
DDTT
ddtt
F1
DdTt
F2
D_T_
D_tt
ddT_
ddtt
高秆抗病
矮秆不抗病
F3
连续的自交直至不发生性状分离
选出ddT_
用高秆抗病（DDTT）和矮秆不抗病（ddtt）小麦品种培育矮秆抗病小麦（ddTT），如果要筛选出纯合的矮秆抗病的优良性状的小麦，你可以想到几种育种方法？
杂交育种
缺点：
获得新品种的周期长
选育出需要的矮抗纯种
Fn
02
作物新品种的培育
P DDTT × ddtt
F1 DdTt
DdTt
DT
Dt
dT
dt
DT
Dt
dT
dt
DDTT
DDtt
ddTT
ddtt
（种子）
第
一
年
（植物体）
减数分裂
（花粉）
花药离体培养
（单倍体幼苗）
秋水仙素处理
（二倍体纯合植株）
第
二
年
播种
杂交育种:
02
作物新品种的培育
缺点：耗时长
优点：操作简单
单倍体育种:
1.单倍体育种
选择亲本
杂交
F1
花药(粉)
离体培养
单倍体植株（幼苗）
人工诱导
染色体加倍
可育
纯合子
优良品种
（2）原理：染色体（数目）变异
植物细胞的全能性
筛选
（1）过程：
02
作物新品种的培育
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
P
高杆抗病
DDTT
矮杆感病
ddtt
×
F1
第1年
高杆抗病
DdTt
DT
Dt
dT
dt
配子
花药离体培养
DT
Dt
dT
dt
单倍体幼苗
纯合体
DDTT
DDtt
ddTT
ddtt
秋水仙素诱导
矮抗
选择矮秆抗病即为新品种
第2年
单倍体育种
注意①：单倍体育种的目的不是获得单倍体本身，因为单倍体是高度不育的，在生产上没有实际价值，需诱导单倍体的染色体数目加倍。
注意②：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；单倍体育种需要先利用植物组织培养技术形成单倍体幼苗，但多倍体育种一般不使用植物组织培养技术。
(3)优点
①获得遗传性状相对稳定的纯合二倍体植株，明显地缩短育种年限。
杂交育种一定比单倍体育种周期长吗？
②大多数单倍体植株的细胞中只含有一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性性状容易出现，因此它也是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。
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。
（4）实例
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。
02
作物新品种的培育
2.突变体的利用
在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此容易受到培养条件和诱变因素（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。
（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
筛选对人们有利的突变体,进而培育成新品种。
诱变处理
（3）利用：
（1）突变体产生的原因：
（7）实例：
（4）原理：
基因突变和植物细胞的全能性。
（5）优点：
提高变异的频率;加速育种进程;大幅度地改良某些性状。
（6）缺点：
难以控制突变方向，有很大的盲目性，需要大量处理实验材料。
白三叶草
抗除草剂的白三叶草
抗花叶病毒的甘蔗
抗盐碱的野生烟草
已经筛选到抗病、抗盐、含高蛋白、高产的突变体。
红豆杉，又名紫杉。1971年，科学家从红豆杉树皮中分离出了紫杉醇发现它具有独特的抗肿瘤作用。据人民日报》2001年10月17日第5版报道，2000年国际市场上优质紫杉醇的售价已高达每千克18万美元。1994-1996年，在红豆杉分布最多、最集中的云南，红豆杉遭受了一场浩劫。盗伐者大量砍伐红豆杉，使大大小小的山沟里，到处都是被剥光树皮的裸树溪河的水浸出鲜血般的红色树汁……野生红豆杉是濒危植物，直接从它的树皮和树叶中提取紫杉醇的传统生产方式，不仅产量低，还会对野生红豆杉资源造成严重破坏，而紫杉醇的化学全合成法尚不具备生产应用价值。
资料：紫杉醇是存在于红豆杉属植物体内的一种次生代谢物，具有高抗癌活性。
1、初生代谢物：
初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，在整个生命过程中一直进行着。初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质、核酸等。
03
细胞产物的工厂化生产
一类小分子有机化合物(如酚类、萜类和含氮化合物等)
（1）含义：
（2）本质：
（3）作用：
在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。
次生代谢是指不是生物生长所必需的，一般在特定的组织和器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行。
植物代谢产生的一些一般认为不是植物基本生命活动________的产物。
所必需
（4）缺点：
①含量______。
②有些产物不能或难以通过化学途径得到。
很低
2、次生代谢物：
从植物组织提取会大量破坏植物资源。
03
细胞产物的工厂化生产
3、细胞产物的工厂化生产
(1)概念：利用 来获得目标产物，这个过程就是细胞产物的工厂化生产。
外植体
愈伤组织
细胞悬液
脱分化
振荡分散
细胞悬浮培养
细胞产物
提取
（3）优势
不占用耕地、不受季节、天气的限制，对社会、经济、环保具有重要意义。
(2)过程：
植物细胞培养
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
（4）实例
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
区别植物组织培养和植物细胞培养
项目
植物组织培养
植物细胞培养
目的
获得植物体
获得细胞产物
原理
植物细胞的全能性
细胞增殖
培养基
固体培养基
液体培养基
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}过程


应用
快速繁殖、作物脱毒、单倍体育种等
细胞产物的工厂化生产
外植体
愈伤组织
试管苗
脱分化
再分化
植株
作物脱毒
选择顶端分生组织
快速繁殖
单倍体育种
选择花药
进行诱变
突变体的利用
分散后
悬浮培养
3.细胞产物的工厂化生产
2.植物新品质的培育
1.植物繁殖的新途径
筛选
课堂小结
“手指植物”通常培育在装有彩色固体培养基的小玻璃瓶中，只要保证充足的光照和适宜的温度，不需要额外补充水分和营养物质，它们就能在玻璃瓶中生长三四个月之久。
“手指植物”的制作方法用到了植物组
织培养技术。在制作过程中，一定要注意做好灭菌和消毒工作，为了防止污染可在培养基中加入一定量的抑菌剂。另外，还可以根据个人喜好，在培养基中加入适量的色素或者荧光剂，使“手指植物”更具有观赏价值。
【到社会中去】
一、概念检测
1.运用植物细胞工程技术可以培育单倍体 植株和进行细胞产物的工厂化生产。判断下列相关表述是否正确。
（1）用花药培养得到单倍体植株需要用到植物组织培养技术。（ ）
（2）细胞产物的工厂化生产主要是利用促进细胞生长的培养条件，提高了单个细胞中次生代谢物的含量。（ ）
2.生产中培育香蕉脱毒苗常用的方法是（ ）
A.人工诱导基因突变
B.选择优良品种进行杂交
C.进行远缘植物体细胞杂交
D.取茎尖分生组织进行组织培养
√
×
D
练习与应用
1.紫色非甜玉米（基因型为AASuSu）和白色甜玉米（基因型为aasusu）杂交（Su和su代表一对等位基因），得到的F（AaSusu）再进行自交，F，会有紫色甜玉米的表型产生。如果运用常规育种方法，应该如何筛选出纯合的紫色甜玉米?如果利用花药培养的技术，又应该怎样做呢?请你设计相关实验的思路。
练习与应用
二、拓展应用
P：
紫色非甜玉米
AASS
×
白色甜玉米
aass
F1
紫色非甜玉米
AaSs
↓
第1年
↓
×
选育出需要
的矮抗纯种
F2
A_S_
A_ss
aaS_
aass
紫甜
传统方法： 杂交育种
第2年
第3年
×
生长
A_ss
F3
第4年
配子：
AS
As
aS
as
AS
As
aS
as
秋水 仙素
AAss
aaSS
aass
AASS
紫甜
P
紫色非甜 AASS
×
白色甜
aass
F1
紫色非甜
AaSs
第1年
单倍体幼苗：
纯合体:
单倍体育种
第2年
2.甜叶菊是一种菊科植物，植株中所含甜菊糖的甜度是蔗糖的300倍左右，而它的热量却很低，所以它逐渐成为一些用糖行业欢迎的新糖源。甜叶菊的种子小，发芽率低，种子繁殖遗传性状不稳定；而扦插植株的根系弱，且需要原始材料多，这些都会限制甜叶菊的生产。假如你是某甜叶菊生产公司的项目负责人，该公司当前运行状况良好，但一直未能解决种子发芽率低的问题。为了提高公司的甜叶菊繁育效率，你应该如何作出决策，并请说出理由。
提示：积极探索其他的繁育途径。例如，研究如何利用植物组织培养技术繁育甜叶菊，研究内容涉及植物组织培养材料的选择，培养基配方的优化，提高试管苗移栽成活率的方法等，最终目的是建立一套利用植物组织培养技术繁育甜叶菊的标准技术体系，实现甜叶菊种苗的产业化生产。
练习与应用
二、拓展应用

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