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第1节　植物细胞工程
第2课时 植物细胞工程的应用
班级 姓名
【学习目标】
1.掌握微型繁殖和植物组织培养的关系。
2.掌握作物脱毒、人工种子的制备过程和意义。
3.了解单倍体育种和突变体的利用。
4.了解细胞产物的例子。
【学习重难点】
重点：植物细胞工程应用的实例。
难点：掌握作物脱毒、人工种子的制备过程。
【预学案】--教材研读（自主学习）
一、植物繁殖的新途径
1.快速繁殖
（1）概念：用于快速繁殖优良品种的 技术。
（2）特点： ①可以 、 地实现种苗的大量繁殖； ②可以保持优良品种的____________。
（3）实例：一些优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物和濒危植物等。
2.作物脱毒
（1）概念：切取一定大小的茎尖进行____________，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。
（2）作用对象： 繁殖的作物。
（3）特点：用____________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______于没有脱毒的作物。
（4）实例：马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等。
合作探究：
a.植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么？
b.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？
3.人工种子
（1）优点:可解决一些作物优良杂种的后代因_________而丧失其优良特性；不受__________因素的影响。
（2）人工种子的制备，如图人工种子主要由三部分组成
①是具有保护作用的“ ”；
②是 ，它相当于天然种子的胚，是有生命的物质结构；
③是供胚状体维持生命力和保证其在适宜的环境条件下生长发育的 。
（3）制备人工种子的目的 。
二、作物新品种的培育
1.单倍体育种
（1）过程（花药取自二倍体植株）：通过 （或 ）培养获得 植株，然后经过诱导 ，当年就能培育出遗传性状相对稳定的 植株。
（2）特点：
①极大地 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可作为进行____________育种和研究____________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 性状容易显现。
（3）实例：单育1号烟草、水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物。
（4）原理：________________________、________________________。
2.突变体的利用
（1）概念：即用 、 等对不断增殖的细胞进行诱变；从产生突变的个体中筛选出对人们有用的 ，进而培育成新品种。
（2）常用材料： 、单倍体育种获得的 纯合体。
（3）实例：抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
（4）产生突变体的原因：在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于 的状态，因此它们容易受到 和 的影响而产生突变。
（5）特点：通过人工诱变提高愈伤组织的 ，从而筛选获得抗病、抗盐、高产、优质的新品种，加快育种进程。突变具有 性和 性，因此需 处理实验材料。
（6）原理： 和 。
三、细胞产物的工厂化生产
1.植物的代谢产物
（1）初生代谢物：初生代谢是生物 和 所必需的代谢活动，初生代谢物有 、脂质、蛋白质、 等。
（2）次生代谢物：次生代谢不是生物生长所必需的，一般在 或 中，并在一定的 和 条件下才进行。次级代谢物是一类小分子有机化合物（如 、 和____________等）。
2.细胞产物的工厂化生产
由于植物细胞的次生代谢产物含量很低，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。
（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。
（2）植物细胞培养：指在 条件下对 或细胞团进行培养使其增殖的技术。
（3）特点：不占用耕地，几乎不受 、 等的限制，因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。
【导学案】
一、作物新品种的培养和细胞产物的工厂化生产
1．单倍体育种
(1)原理：整个单倍体育种过程的原理是染色体变异，其中花药离体培养利用了植物细胞的全能性。
(2)过程：
(3)优点：明显缩短育种年限，后代不发生性状分离。
2．突变体的利用
(1)原理：基因突变和植物细胞的全能性。
(2)过程： 诱变处理 诱导分化
　　　　　
(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，加快育种进程。
3．细胞产物的工厂化生产
(3)优点：提高生产速度、便于操作管理。
二、不同育种技术的比较
育种方法 原理 优点 缺点
诱变育种 基因突变 提高生物变异的频率，使后代变异频率较快稳定；可大幅度改良某些性状，缩短育种进程 盲目性大，需大量处理供试验材料
杂交育种 基因重组 使位于不同个体的优良性状集中于一个个体 周期长，难以克服远缘杂交不亲合的障碍
单倍体育种 染色体变异 获得个体均为纯种，明显缩短育种年限 技术复杂，须与杂交育种配合、且需利用细胞工程参与
多倍体育种 染色体变异 器官大，提高产量和营养成分 适用于植物；动物方面难以实现
基因工程 育种 基因重组 打破物种界限，定向改造生物遗传性状 存在技术上、安全上、伦理道德上的问题
细胞工程 育种 细胞生物学和分子生物学原理、基因突变 ①植物体细胞杂交可以克服远缘杂交不亲合的障碍；扩大了用于杂交的亲本组合范围；定向改变生物遗传性状。②体细胞诱变育种，同前述诱变育种。 ①远缘杂交不能按照人们的需要表现出亲代的优良性状②体细胞诱变育种同诱变育种
三、育种技术中的“四最”和“一明显”
特点 育种方法 优缺点
最简便 杂交育种 耗时较长
最具预见性 DNA重组技术或细胞工程育种 技术含量高，有可能引发生态危机
最盲目 诱变育种 可获得新基因，性状可较快稳定，需处理大量材料
最能提高产量 多倍体育种 营养器官增大，但发育迟缓
可明显缩短育种年限 单倍体育种 技术较复杂，需要与杂交育种配合
【固学案】达标练习
1.人们利用植物的微型繁殖技术进行工厂化生产,这是利用了该项技术的哪些特点(　 　)
A.操作简单 B.使优良性状组合在一起
C.培育新的性状 D.高效性和保持优良品种的遗传特性
2.生产中培育香蕉脱毒苗常用的方法是 (　 　)
A.人工诱导突变 B.选择优良品种进行杂交
C.取茎尖分生组织进行组织培养 D.进行远缘植物体细胞杂交
3.下列属于快速繁殖的是 (　 　)
A.马铃薯的块茎繁殖 B.胡萝卜根的形成层繁殖
C.杨树的扦插繁殖 D.果树的嫁接繁殖
4.马铃薯是一种重要的经济作物,传统的繁殖方式感染病毒严重,导致产量大大降低。科研人员利用种苗脱毒技术可有效解决这个问题,基本操作流程如下:
配制培养基→外植体的取材和消毒→剥离和接种→培养和移栽→结果检测
请回答下列问题:
(1)该技术称为 ,其理论基础是 。
(2)利用种苗脱毒技术培育马铃薯,常用的培养基有脱分化培养基、生芽培养基、生根培养基。这三种培养基的主要差异是 。
(3)在培育过程中,选取的外植体是 ,原因是 。
(4)脱毒马铃薯的产量要比未脱毒马铃薯的产量 。
5.在植物组织培养过程中,容易获得突变体的主要原因是 ( 　　)
A.培养基营养丰富,易于植物生长 B.培养的细胞一直处于不断增殖的状态
C.纺锤丝的形成容易受抑制 D.DNA复制容易受抑制
6.如图是某二倍体植物通过花药进行单倍体育种的过程示意图,下列叙述正确的是 (　 　)
A.图中过程②涉及细胞的分裂和分化,细胞进行有丝分裂
B.秋水仙素能促进着丝粒分裂,导致细胞染色体数目加倍
C.图中③过程为了促进生芽,可增加培养基中细胞分裂素的比例
D.过程④应将炼苗后的试管苗移栽到含有蔗糖和多种植物激素的基质上
7.培养胡萝卜根组织可获得试管苗,获得试管苗的过程如图所示。
切取洁净的胡萝卜根段对根段进行消毒切取1 cm3左右带有形成层的组织块
　 　①　　　　 　 　②　　　　　　 　③　
接种组织块诱导组织块形成愈伤组织诱导愈伤组织形成试管苗
　 　④　　　　 　⑤　　　　 　　 　⑥
回答下列问题。
(1)步骤③切取的组织块中要带有形成层,原因是 。
(2)步骤⑥要进行照光培养,其作用是 。
(3)若想获得抗盐植株,可在步骤　　　 (填写数字)进行人工诱变,且需要在含较高浓度的NaCl培养基中筛选。经组织培养得到植株的这种繁殖方式属于 繁殖。
8.紫草宁具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性。在工厂化生产中,取紫草植株部分组织诱导形成紫草愈伤组织,再转入紫草宁形成培养基,然后再将细胞破碎后提取出紫草宁。下列相关叙述中,不正确的是 (　　 )
A.工厂化生产过程包括细胞的脱分化 B.在紫草宁生产过程中,不必将愈伤组织培养出根、芽等器官
C.紫草的愈伤组织细胞在低渗溶液中不会涨破 D.紫草宁在细胞内合成后被分泌到细胞外能力提升练
【课后作业】
1.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
2.紫杉醇是红豆杉属植物体内的一种次生代谢物,尤以树皮中含量最丰富,具有高抗癌活性。如图表示工厂化生产紫杉醇的过程,相关叙述错误的是 (　 　)
外植体愈伤组织液体悬浮振荡培养悬浮传代培养提取、检测紫杉醇
A.从大量红豆杉属植物树皮中提取紫杉醇会破坏植物资源
B.只能用红豆杉属植物的树皮作外植体才能获得紫杉醇
C.振荡培养利于细胞充分接触营养,增加溶解氧量
D.可利用培养的动物细胞来检测紫杉醇的抗癌活性
3.虎头兰的花色泽艳丽、体态优美、香味素雅,但其种子繁殖率低,为尽快推广种植,可应用人工种子技术获得大量优质苗。下列相关叙述正确的是 (　 　)
A.采用茎尖脱分化形成的愈伤组织制备人工种子 B.人工胚乳中含有无机盐、糖类、植物激素等
C.人工种皮应具有无毒、抗菌、透气等特点
D.通过人工种子繁殖,子代能保持亲代的优良性状,不会发生变异
4.辣椒素作为一种生物碱广泛应用于食品保健、医药工业等领域。辣椒素的获得途径如图。下列表述正确的是 (　 　)
A.实现①过程的条件是外植体细胞发生基因突变
B.①过程受外源激素的调控,②过程受内源激素的调控
C.获得脱毒苗常用的外植体是根和芽,脱毒苗不具有更强的抗病毒能力
D.通过细胞培养获得辣椒素的过程不需要实现细胞的全能性
5.紫杉醇是红豆杉属植物细胞中产生的一种高效抗癌物质。为取代从天然植株中提取紫杉醇的方式,可通过植物组织培养和细胞培养技术来获取,其过程为获取红豆杉属植物外植体→消毒→诱导愈伤组织→细胞培养→提取紫杉醇。回答下列问题:
(1)获取的外植体首先要通过　　　　过程培养出愈伤组织。如表为四种不同外植体在相同培养条件下诱导愈伤组织的实验结果,由表中结果可知诱导愈伤组织较适宜的两种外植体分别是　。
外植体 愈伤组织体积 诱导率/%
不带叶茎段 很大 99.5
带叶茎段 很小 90
叶片 很小 20
成熟胚 较大 80
注:诱导率(%)=(形成的愈伤组织数量/接种的外植体数量)×100%
(2)据下图分析2,4-D对细胞生长和紫杉醇合成的作用分别是　　　　　　　　　　　　　　,为获得最大紫杉醇总产量,最适合的2,4-D浓度应为　　　　(填“0.5”“1.0”或“2.0”)mg/L。
(3)与从天然植株中提取相比,利用上述技术生产紫杉醇的重要意义是　　 　　　
　　　　　　　　　 　　(答出两点)。
【综合拔高练】
1.为探究矮牵牛原生质体的培养条件和植株再生能力,某研究小组的实验过程如图。下列叙述正确的是 (　 　)
A.过程①获得的原生质体需悬浮在30%蔗糖溶液中
B.过程②需提高生长素的比例以促进芽的分化
C.过程③需用秋水仙素处理诱导细胞壁再生
D.原生质体虽无细胞壁但仍保持细胞的全能性
2.某植物有A、B两品种。科研人员在设计品种A组织培养实验时,参照品种B的最佳激素配比(见下表)进行预实验。
品种B组织培养阶段 细胞分裂素浓度(umol/L) 生长素浓度(umol/L)
Ⅰ　诱导形成愈伤组织 m1 n1
Ⅱ　诱导形成幼芽　　 m2 n2
Ⅲ　诱导生根　　　　 m3 n3
据表回答:
(1)Ⅰ阶段时通常选择茎尖、幼叶等作为外植体,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段中发生基因选择性表达的是　　　　阶段。
(3)为确定品种A的Ⅰ阶段的最适细胞分裂素浓度,参照品种B的激素配比(m1>2.0),以0.5 μmol/L为梯度,设计5个浓度水平的实验,细胞分裂素最高浓度应设为　　　　umol/L。
3.培养胡萝卜根组织可获得试管苗,获得试管苗的过程如图所示。
切取洁净的胡萝卜根段 对根段进行消毒切取1 cm3左右带有形成层的组织块
　　 ①　　　　 ②　　　　　　 　③
　　 接种组织块 诱导组织块形成愈伤组织诱导愈伤组织形成试管苗
　　　 ④　　　　 　⑤　　　　　　 ⑥　　　
回答下列问题。
(1)利用胡萝卜根段进行组织培养可以形成试管苗。用分化的植物细胞可以培养成完整的植株,这是因为植物细胞具有　　　　　　　　　　　　　　。
(3)在新的培养基上愈伤组织通过细胞的　　　　过程,最终可形成试管苗。
(4)步骤⑥要进行照光培养,其作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(5)经组织培养得到的植株,一般可保持原品种的　　　　　　,这种繁殖方式属于　　　　繁殖。
4.两种远缘植物的细胞融合后会导致一方的染色体被排出。若其中一个细胞的染色体在融合前由于某种原因断裂,形成的染色体片段在细胞融合后可能不会被全部排出,未排出的染色体片段可以整合到另一个细胞的染色体上而留存在杂种细胞中。依据该原理,将普通小麦与耐盐性强的中间偃麦草进行体细胞杂交获得了耐盐小麦新品种,过程如图所示。下列说法错误的是 (　　)
A.过程①需使用纤维素酶和果胶酶处理细胞
B.过程②的目的是使中间偃麦草的染色体断裂
C.过程③中常用灭活的病毒诱导原生质体融合
D.耐盐小麦的染色体上整合了中间偃麦草的染色体片段
5.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)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)。
6.如图所示为利用玉米(2n=20)的幼苗芽尖细胞(基因型为AaBb)进行实验的流程示意图。下列分析错误的是 (　　)
A.多次重复①过程可获得不含有毒物质的脱毒苗
B.所得植株A、植株B和植株C的基因型彼此不同
C.花粉离体培养形成幼苗2需经脱分化和再分化
D.此实验证明玉米体细胞和生殖细胞都具有全能性
7.花椰菜易受黑腐病菌的危害而患黑腐病。野生黑芥对黑腐病等多种常见病害具有抗性。我国科学家将紫外线(UV)照射处理的黑芥叶肉原生质体和花椰菜根原生质体融合,获得了抗黑腐病的杂合新植株。对双亲和部分杂合新植株的染色体计数,结果如表所示。请回答下列问题:
植株 花椰菜 黑芥 杂合新植株A 杂合新植株B 杂合新植株C
染色体数/条 18 16 34 30 58
(1)原生质体融合的理论依据是 。诱导植物原生质体融合常用的化学物质是 。
(2)将花椰菜和黑芥的体细胞在一定条件下融合成杂种细胞,继而培养成新植物体的技术称为 ,该技术的优势在于 。
(3)已知用一定剂量的UV处理黑芥叶肉原生质体可破坏其染色体。根据表中数据,尝试推测已获得的杂合新植株B染色体数目少于34(双亲染色体数之和)、杂合新植株C染色体数目大于34,可能的原因是 。若要分析杂合新植株的染色体变异类型,应剪取杂合新植株与 植株的根尖,制成装片,在显微镜下观察比较染色体的形态和数目。
(4)简要写出从杂合新植株中筛选出具有高抗性的杂合新植株的思路:
。
8.紫花苜蓿是全世界栽培历史最悠久、利用最广泛的豆科牧草,但易造成家畜臌胀病。百脉根富含单宁,单宁可与植物蛋白质结合,不引起家畜采食后臌胀病的发生。为培育抗臌胀病的苜蓿新品种,科研人员利用野生型清水紫花苜蓿和里奥百脉根为材料进行了实践研究,研究主要流程如图:(注:IOA可抑制植物细胞呼吸第一阶段,R-6G可阻止线粒体的呼吸作用,二者有效抑制不同植物细胞正常代谢的临界浓度不同)
(1)据图可知,本研究主要利用 技术。
(2)在实验前需通过预实验来研究R-6G或IOA使原生质体失去再生愈伤组织能力的临界浓度,实验的设计思路是 。
(3)图中①过程可使用 作为诱导剂,推测在融合后只有异源融合体能够存活的原因是 。
(4)图中③过程愈伤组织经过 形成再生植株,这一过程的原理是 。
答案：
预学案
一、1.（1）植物组织培养（2）高效 快速 ②遗传特性 2.（1）组织培养（2）无性（3）无性繁殖 优
合作探究：a.植物组织培养到愈伤组织阶段，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。b.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、（1）发生性状分离 环境（季节、气候、地域） （2）①人工种皮②胚状体③人工胚乳
（3）解决有些作物品种繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题
二、1. （1）花药 花粉 单倍体 染色体加倍 纯合二倍体（2）①缩短 ②体细胞诱变 遗传突变 隐性（4）染色体（数目）变异 植物细胞的全能性
2.（1）射线 化学物质 突变体（2）愈伤组织 隐性（4）不断增殖 培养条件 诱变因素（5）突变率 不定向 低频 大量（6）基因突变 植物细胞的全能性
三、1. （1）生长 生存 糖类 核酸（2）特定的组织 器官 环境 时间 酚类 萜类 含氮化合物
2.（1）植物细胞培养（2）离体 单个细胞（3）季节 天气
固学案：
1.D 2.C 3.B 5.B 6.C 8.D
7.答案　(1)形成层容易诱导形成愈伤组织(形成层是分生组织,易脱分化形成愈伤组织)　(2)诱导叶绿素的形成,使试管苗能够进行光合作用　(3)⑤　无性
课后作业：
1.A 2.B 3.BC 4.D
5.答案　(1)脱分化　不带叶茎段、成熟胚　(2)促进细胞生长,抑制紫杉醇合成　1.0　(3)提高了紫杉醇的产量,保护了红豆杉属植物资源
综合拔高练
1.D　
2.答案　(1)细胞分化程度低,容易诱导产生愈伤组织　(2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ　(3)m1+1.0
3.答案　(1)全能性(或答:形成完整植株所需的全部基因)　(3)分化(或答:再分化)　(4)诱导叶绿素的形成,使试管苗能够进行光合作用　(5)遗传特性　无性
4.C　
5.答案　(1)能保持植物原有的遗传特性,繁殖速度快　(3)茎尖
(4)含目的基因的细胞愈伤组织小植株
6． A
7.答案　(1)细胞膜具有一定的流动性　聚乙二醇(PEG)　(2)植物体细胞杂交　可打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,培育植物新品种等　(3)融合过程中染色体可能会丢失;融合是随机的,可能存在多个细胞的融合　双亲(花椰菜和黑芥)　(4)将不同的杂合新植株分别进行黑腐病菌接种实验,观察比较它们的生长情况,生长最好的即为高抗性杂合新植株
8.答案　(1)植物体细胞杂交　(2)将获取的原生质体分别放置在不同浓度的R-6G或IOA溶液中,培养一段时间后,观察原生质体的再生情况　(3)聚乙二醇(PEG)　异源融合体因代谢互补可恢复生长并获得再生能力　(4)再分化　植物细胞的全能性

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