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第1节 植物细胞工程
02
植物细胞工程的应用ZHIWUXIBAOGONGCHENGDEYINGYONG
铁皮石斛
教学目标
1. 举例说明植物细胞工程利用快速繁殖、脱毒、次生代谢物生产、育种等方式有效提高了生产效率。
2. 社会责任：列举植物组织培养技术在生产实践中的应用，说明植物细胞工程对生产的影响。
《西游记》中的孙悟空神通广大，他“拔一把毫毛丢在口中嚼碎，望空喷去，叫一声‘变’!即变作三二百个小猴”。孙悟空这样神奇的本领曾令我们无限神往。
2017年，中国的科学家将这一幕变成了现实，他们利用体细胞核移植技术成功克隆出两只猕猴“中中”和“华华”（如右图)。克隆猴的过程当然不会像孙悟空吹口气那么简单，最大的困难是如何才能激发动物细胞表达其全能性。
克隆动物都需要经过哪些过程？我们能将体细胞核移植技术与干细胞技术结合，克隆人体的器官吗？
1、快速繁殖：
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”。
培养
无籽西瓜
接种
一、植物繁殖的新途径
铁皮石斛（学名：Dendrobium officinale Kimura et Migo）：茎直立，圆柱形，长9-35厘米，粗2-4毫米，不分枝，具多节；叶二列，纸质，长圆状披针形，边缘和中肋常带淡紫色。总状花序常从落了叶的老茎上部发出，具2~3朵花；花苞片干膜质，浅白色，卵形，长5-7毫米，萼片和花瓣黄绿色，近相似，长圆状披针形，唇瓣白色，基部具1个绿色或黄色的胼胝体，卵状披针形，比萼片稍短，中部反折。蕊柱黄绿色，长约3毫米，先端两侧各具1个紫点；药帽白色，长卵状三角形，长约2.3毫米，顶端近锐尖并且2裂。花期3~6月。
生于海拔达1600米的山地半阴湿的岩石上。主要分布于中国安徽、浙江、福建等地。其茎入药，属补益药中的补阴药：益胃生津，滋阴清热。
铁皮石斛的产业化育苗
优点：
①繁殖率高，可大批量生产
②保持亲本的优良性状（无性繁殖 ）
③不受自然生长季节的限制
④培养周期短
实际应用：
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。
石斛
百年牡丹树
连翘
一、植物繁殖的新途径
2、作物脱毒
无性繁殖的作物，容易将病毒传染给后代。病毒积累，导致作物产量降低、品质变差。
植物分生区病毒极少，切取茎尖进行组织培养，可获得脱毒苗。
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。
脱毒草莓
普通草莓
1、原因：
2、方法：
脱毒产品
甘蔗
香蕉
菠萝
生姜是药食两用的经济作物，在生产上长期采用无性繁殖，容易感染多种病毒病，使生姜品质变差，叶子皱缩，生长缓慢，一般减产30%-50%。
病毒引起的植物病害有500多种。受害植物包括粮食作物、蔬菜、果树和花卉等。而且没有有效的防治办法，只能拔除，造成经济损失。病毒多集中在种子、老叶等器官中，在幼嫩的器官和未成熟的组织中较少，在分生区几乎不含病毒。
作物脱毒——生姜
马铃薯在种植过程中经常会受到病毒、细菌和真菌等病原体感染，导致品质和产量下降，采用喷洒农药的方式一
般只能清除入侵的真菌和细菌，但不能有效地清除
入侵的病毒。研究发现，植物分生区一般不会受到
病毒侵染，把茎尖等分生组织从感染病毒的植株上
剥离，在离体条件下进行组织培养，可获得不含病
毒的脱毒苗(virus-free cutting),这一过程称为
种苗脱毒。实验证明，通过种苗脱毒可有效地防止
种薯退化，大幅度提高马铃薯产量（图2-12)。利用
植物组织培养技术，已培育出了大量的无病毒种苗，成功实现了甘薯、生姜、大蒜、草莓等多种农作物的脱毒，提高了农作物的产量。
作物脱毒——马铃薯
1. 单倍体育种
二、作物新品种的培育
优点：育种时间短，后代性状稳定，节约大量人力和物力
实例：（单倍体育种和常规育种相结合）育成的水稻、玉米、油菜的甜椒等作物的新品种。
通过花药离体培养获得单倍体植株，经染色体加倍,选择稳定遗传优良品种。
第2年
单倍体育种
第1年
选择矮秆抗病即为新品种
花药离体培养
配子
DDTT
DDtt
ddTT
ddtt
正常植株（纯合）
秋水仙素诱导
高杆抗病
DdTt
DT
Dt
dT
dt
单倍体植株
DT
Dt
dT
dt
需要的纯合矮抗品种
4、应 用
水稻
小麦
烟草
柏树
2. 突变体的应用
二、作物新品种的培育
（1）突变体: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，因此它们容易受到培养条件和诱变因素的影响而产生突变，从而形成突变体。
（2）实例：已筛选出抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体，如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草。
（3）突变体的利用
原理：
基因突变和植物细胞的全能性。
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。
难以控制突变方向，有利性状比较少，需要大量处理实验材料。
缺点：
产生:
植物组织培养中，培养细胞不断分裂易突变
利用:
筛选对人们有利的突变体,进而培育成新品种
二、作物新品种的培育
1.次生代谢物
三、细胞产物的工厂化生产
植物代谢会产生一些一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物——次生代谢物。次生代谢物是一类小分子有机化合物。
2.次生代谢物的用途
在植物抗病、抗虫等方面有重要用途，同时也是很多药物、香料和色素等的重要来源。
3.细胞产物的工厂化生产
人们利用植物细胞培养来获得目标产物的过程就叫做细胞产物的工厂化生产。
4.细胞产物的工厂化生产的优点
三、细胞产物的工厂化生产
快速高效，不受季节、外部环境等条件的限制，还能保护生态环境。
5.实例
紫草宁——具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性
三、细胞产物的工厂化生产
5.实例
紫杉醇——具有高抗癌活性，已被用于乳腺癌等癌症的治疗
a. 乳腺癌、卵巢癌和肺癌的治疗特效（临床有效率>40%）
b.资源稀缺
紫杉醇为什么贵？
c. 紫杉醇含量低：干树皮中的0.01%（万分之一）
d. 生长缓慢：小苗50-70年成树、剥皮即死。
与生活的联系
人参为我国名贵药材，现今因野生资源缺少，多用人工栽培，但人工栽培生长缓慢，6年才能生成10g左右(干重)人参根。我国科学家早在1963年就成功地培育了人参的组织。近年来又实现了利用组织培养技术来大量生产人参皂苷干粉。用组织培养技术生产的人参，生长速度比栽培人参约快100倍以上，其药用成分和药理活性与栽培人参相似，甚至更加优良。这项技术目前已经投人规模化生产。
5. 实例
人参皂苷（ɡān）
【提示】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，在培养基中加人适量的色素或者荧光剂，使“手指植物”更具有观赏价值。
植物细胞工程的实际应用
（一）、植物繁殖的新途径
（二）、作物新品种的培育
（三）、细胞产物的工厂化生产
1.单倍体育种
2.突变体的利用
药物，香料，蛋白质等
2.作物脱毒
1.微型繁殖
练习与应用
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
二、拓展应用
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F1（ AaSusu ）再进行自交，F2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。
【答案】F2中的紫色甜玉米的基因型可能为 Aasusu或 AAsusu。如果运用常规育种方法，将F2中的紫色甜玉米与白色甜玉米( aasusu)进行测交，可以选择出基因型为 AAsusu的纯种紫色甜玉米。但这种方法比较烦琐，耗时也较长，需要至少三年的选种和育种时间。其实在F1产生的花粉中就可能有Asu的组合，如果利用花药培养的技术获得单倍体植株，再经过诱导染色体加倍，就可以直接得到紫色甜玉米的纯合体。这种方法可以大大缩短育种周期。
【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。
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。
谢谢
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