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第1节 植物细胞工程
第2章 细胞工程
二 植物细胞工程的应用
一、植物繁殖的新途径
1.快速繁殖
（1）概念：
（4）优点：
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。
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。
③几乎不受季节、气候等的限制，培养周期短；
④可实现产业化生产。
（2）生殖方式：
（3）原理：
一般为无性生殖
植物细胞的全能性
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。
一、植物繁殖的新途径
（5）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都实现了利用快速繁殖技术来提供苗木。
【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。
1.快速繁殖
铁皮石斛
一、植物繁殖的新途径
（1）脱毒原因
马铃薯
草莓
香蕉
无性繁殖
感染的病毒很容易传给后代
病毒在作物体内积累
作物产量降低品质变差
2.作物脱毒
（2）脱毒方法：
切取植物一定大小的茎尖，进行组织培养技术，再生植株有可能不带病毒，获得脱毒苗。
植物顶端分生区附近（如：茎尖、根尖）的病毒极少，甚至无病毒。
一、植物繁殖的新途径
（3）优点：
（4）实例：
明显提高作物的产量和品质。
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。
思考：经植物组织培养技术培育出的脱毒苗抗病毒吗？为什么？
“脱毒”≠“抗毒”
2.作物脱毒
脱毒苗与抗毒苗有何区别？
脱毒苗：是选择植物的茎尖(刚形成，不含有病毒)进行组织培养而获得的，属于细胞工程的范畴。
抗毒苗：是把某抗病基因导入到受体植株中，并通过一定的方法培养形成的，属于基因工程的范畴。
二、作物新品种的培育
　Ｐ 高抗 　 矮不抗
F1　 高抗
DDTT
ddtt
DdTt
ddTt
高抗 高不抗 矮抗 矮不抗
ddTT
矮抗
ddTT
ddTt
矮抗
ddTT
矮抗
矮抗 矮不抗
ddTT
ddTt
杂交
自交
选优
自交
F3
选优
F2
连续自交
1 ：2
选育出一个可以稳定遗传的农作物优良品种，一般要经过5—6年的连续筛选。
现有纯合的高秆抗锈病的小麦（DDTT）和矮秆不抗锈病的小麦（ddtt），如何最简单 得到矮秆抗病的优良品种（ddTT）？
杂交育种
育种原理？
基因重组
育种方法？
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
再人工诱导染色体数加倍
先花药离体培养
单倍体植株
正常纯合体植株
脱分化
愈伤组织
再分化
（1）过程
秋水仙素处理
玉米（2n)单倍体育种
1.单倍体育种
二、作物新品种的培育
（抗倒伏，不抗病）
（抗倒伏抗病）
花药（粉）：
单倍体幼苗：DT Dt dT dt
正常植株：DDTT DDtt ddTT ddtt
新品种：DDtt
方法：花药离体培养
秋水仙素处理
DDTT（♀） × ddtt（♂）
第一年
第二年
筛选
（抗倒伏，不抗病）
（倒伏，抗病）
DT Dt dT dt
DdTt
（2）举例
1.单倍体育种
（3）单倍体育种的方法：
先 （所用技术 ）获得 单倍体幼苗 ；
再经 处理诱导 加倍，当年就可以得到遗传性状相对稳定的纯合二倍体植株。
（4）单倍体育种原理
细胞的全能性和染色体变异。
花药离体培养
植物组织培养
秋水仙素
染色体数
二、作物新品种的培育
（5）单倍体育种优点：
①子代一般是能稳定遗传的纯合子，极大地缩短了育种的年限。
②也是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有一套染色体，染色体加倍后得到的植株隐性性状容易出现。
思考：单倍体育种为什么能为体细胞诱变育种和研究遗传突变提供理想材料？
Aa
A
a
AA
aa
单倍体（n）
纯合二倍体（2n）
二倍体（2n）
1.单倍体育种
二、作物新品种的培育
（6）实例：
①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。
②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。
1.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。
二、作物新品种的培育
2.突变体的利用
（1）产生的原理：
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（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。
（2）突变体育种的原理：
植物细胞的全能性
基因突变
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
试管苗
植株
筛选
有用的突变体
诱变
（4）实例：
已经筛选到抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体，有些品种已经用于生产，如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
（3）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。
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：
①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进行的代谢活动。
③作用：在植物的抗虫、抗病等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。
④特点：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。
②次生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）。
三、细胞产物的工厂化生产
2.细胞产物的工厂化生产的过程
外植体
愈伤组织
单个细胞
脱分化
振荡分散
细胞悬浮培养
细胞产物
提取
3.细胞产物的工厂化生产所用的技术：
植物细胞培养
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.优势：
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。
原理：
细胞的增殖
有无体现细胞的全能性？
无
三、细胞产物的工厂化生产
5.实例：
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
紫草细胞中提取的一种药物和色素；具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性。
世界上首例药用植物细胞工程产品。
具有高抗癌性，广泛应用于乳腺癌等癌症的治疗。
应用人参细胞培养来生产人参中重要的活性成分→人参皂苷。
三、细胞产物的工厂化生产
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
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。
四、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
四、练习与应用
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。
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。
四、练习与应用
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。
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。

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