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第二章 细胞工程
第1节 植物细胞工程（第三课时）
学习目标 核心素养
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。 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。
二、植物细胞工程的应用
（一）植物繁殖的新途径
1、快速繁殖：
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”。
自然繁殖能力低
用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。
（1）特点：
①可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖；
②可以保持优良品种的遗传特性。
铁皮石斛的产业化育苗
（2）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。
*扦插、压条、嫁接等不属于微型繁殖技术；
二、植物细胞工程的应用
（一）植物繁殖的新途径
1、快速繁殖：
思考:为什么植物组织培养可以进行快速繁殖？
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。
并且，植物组织培养在实验室进行，受季节、气候等条件限制较小。
注意说明
①快速繁殖实际上是一种无性繁殖。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。
②快速繁殖的培养基中需加入细胞生命活动所需的水、矿质元素、小分子有机物以及植物激素等，培养基必须进行灭菌处理，操作过程必须在无菌条件下进行。
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。
背景资料
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。
二、植物细胞工程的应用
2.作物脱毒
顶端分生区
（如茎尖、根尖：病毒极少，甚至无毒）
组培
脱毒苗
明显提高农作物的产量和品质
（一）植物繁殖的新途径
（1）操作过程：切取一定大小的茎尖进行组织培养，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：无性繁殖的作物。
（3）进行作物脱毒的原因：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。
（4）实例：马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等。
脱毒马铃薯田与被病毒感染的未脱毒马铃薯叶片。
*脱毒苗≠抗毒苗
二、植物细胞工程的应用
2.作物脱毒
（一）植物繁殖的新途径
1.单倍体育种
二、植物细胞工程的应用
（二）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
（1）方法（花药取自二倍体植株）：通过花药（或花粉）培养获得单倍体植株，然后经过诱导染色体加倍，当年就能培育出遗传性状相对稳定的纯合二倍体植株。
配子：
DT
Dt
dT
dt
单倍体幼苗：
DT
Dt
dT
dt
花药离体培养
秋水 仙素
第2年
DDtt
ddTT
ddtt
纯合体:
DDTT
矮抗
P
高杆抗病
DDTT
×
矮杆感病
ddtt
F1
高杆抗病
DdTt
第1年
选择矮秆抗病即为新品种
1.单倍体育种
二、植物细胞工程的应用
（二）作物新品种的培育
（2）过程
选择
亲本
有性
杂交
F1代
花粉离
体培养
单倍体
植 株
诱 变
染色体加倍
可 育
纯合子
选择所
需类型
1.单倍体育种
二、植物细胞工程的应用
（二）作物新品种的培育
（2）过程
（3）优点：
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。
（4）实例：单育1号烟草、水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物。
我国培育的单育1号烟草是世界上第一个单倍体作物新品种
1.单倍体育种
二、植物细胞工程的应用
（二）作物新品种的培育
1.单倍体育种
二、植物细胞工程的应用
（二）作物新品种的培育
注意说明
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（种子阶段或幼苗阶段）的染色体数目加倍。
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。
（1）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不断增殖的状态，因此它们容易受到培养条件和诱变因素(射线、化学物质等)的影响而产生突变。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。
（2）常用材料：愈伤组织、单倍体育种获得的隐性纯合体。
（3）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
2.突变体的利用
二、植物细胞工程的应用
（二）作物新品种的培育
(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。
突变具有不定向性和低频性，有利性状比较少，需要大量处理实验材料。
(6)缺点：
2.突变体的利用
二、植物细胞工程的应用
（二）作物新品种的培育
抗除草剂白三叶草
（7）实例：
二、植物细胞工程的应用
（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：初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质、核酸等。
（2）次生代谢物：次生代谢不是生物生长所必需的，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。次级代谢物是一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等）。
细胞产物的工厂化生产的目标产物：次生代谢产物。
二、植物细胞工程的应用
（三）细胞产物的工厂化生产
2.细胞产物的工厂化生产
二、植物细胞工程的应用
（三）细胞产物的工厂化生产
（1）植物次生代谢物工厂化生产的原因：
植物细胞的次生代谢产物含量很低，从植物组织提取会大量破坏植物资源
有些产物不能或难以通过化学合成途径得到
直接获取困难
化学合成困难
（2）概念：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。
外植体
细胞悬液
脱分化
细胞产物
愈伤组织
分散开
培养提取
2.细胞产物的工厂化生产
二、植物细胞工程的应用
（三）细胞产物的工厂化生产
一种用于植物细胞培养的反应器
（3）技术——植物细胞培养：指在离体条件下对单个细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。
（4）过程：
蛋白质,脂肪,糖类,药物,香料,生物碱
*该过程中是否需要培养得到完整植株？_________
一般不需要
（5）优点：不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。
2.细胞产物的工厂化生产
二、植物细胞工程的应用
（三）细胞产物的工厂化生产
（6）实例：
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
紫草→紫草宁
红豆杉→紫杉醇
2.细胞产物的工厂化生产
二、植物细胞工程的应用
（三）细胞产物的工厂化生产
（6）实例：
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
紫草→紫草宁
世界首例药用植物细胞工程产品 —— 紫草宁
作用：
来源：
紫草细胞中提取的一种药物和色素
抗菌、消炎、康肿瘤
2.细胞产物的工厂化生产
二、植物细胞工程的应用
（三）细胞产物的工厂化生产
（6）实例：
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
红豆杉→紫杉醇
我国科学家筛选出高产紫杉醇细胞
来源：红豆杉属植物体内产生一种次生代谢产物。
作用：具有高抗癌活性，已广泛用于乳腺癌等癌症的治疗
传统生产方法：从红豆杉树皮和树叶中提取。
2.细胞产物的工厂化生产
二、植物细胞工程的应用
（三）细胞产物的工厂化生产
（6）实例：
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
我国在人参、三七等植物细胞的大规模培养领域取得了很大的进展。
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。
到社会中去
“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。
外植体
↓
愈伤组织
↓
胚状体
↓
试管苗
↓
植株
再分化
+人工种皮
+人工胚乳
人工
种子
保持优良性状
快速大量繁殖
微型
繁殖
作物
脱毒
选择根尖
茎尖、芽尖
脱分化
选择花粉
培养
单倍体
纯合体
加倍
单倍体育种
化学物理因素诱导筛选
突变体利用
培养、提取
代谢产物
细胞产物的工厂化生产
③
①植物繁殖新途径
②作物新品种的培育
总结
1.下列有关植物细胞工程应用的叙述，不正确的是（ ）
A.利用组织培养技术培养脱毒苗，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.利用细胞培养技术获得紫草素，实现了细胞产物的工厂化生产
D.利用体细胞杂交技术获得“白菜-甘蓝”，克服生物远缘杂交不亲和障碍
A
课堂练习
2.国家重点保护珍稀植物——红豆杉可产生抗癌物质紫杉醇，现利用植物细胞工程技术生产紫杉醇，请据图回答下列问题：
（1）选用茎尖分生组织进行
组织培养可以获得脱毒苗，
原因是茎尖分生组织细胞
_____________________；诱导茎尖分生组织形成愈伤组织的过程叫________。
（2）茎尖分生组织细胞具有全能性的原因是_______________________
______________________。
（3）紫杉醇作为常见的细胞产物，抗癌效果显著，通常取自愈伤组织的_____（细胞器）。
病毒极少，甚至无病毒
脱分化
茎尖分生组织细胞含有该
种生物的全套遗传信息
液泡
课堂练习
拓展延伸
原理 优点 缺点
诱变育种 基因突变或染色体变异和植物细胞的全能性 提高生物变异的频率，可产生新基因，大幅度改良某些性状，缩短育种年限 盲目性大，需大量的突变材料
杂交育种 基因重组 使存在于不同个体的优良性状集中于一个个体上 周期长，难以克服远缘杂交不亲和的障碍
单倍体育种 染色体变异和植物细胞的全能性 获得的个体均为纯种，明显缩短育种年限 技术复杂，多用于植物
多倍体育种 染色体变异 可提高产量和某些营养成分，增大果实 只适用于某些植物，在动物中难以开展，且植物结实率低
植物体细胞杂交育种 细胞膜的流动性和植物细胞的全能性 克服了远缘杂交不亲和的障碍，扩大了用于杂交的亲本组合范围，定向改变生物的遗传性状 不能完全按人们的需要表现出亲代的优良性状
几种育种方法的比较

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