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第二章
细胞工程
2.1.2 植物细胞工程的应用
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。
20世纪60年代，荷兰科学家成功地利用组织培养技术来培育兰花。目前，荷兰的兰花生产已经发展成为举世闻名的兰花产业。
我国组织培养技术已经广泛应用于兰花种苗的规模化繁殖，使得名贵的兰花价格大幅下降。
扦插、压条、嫁接等不属于微型繁殖技术；
一、植物繁殖的新途径
（2）生殖方式：
（3）原理：
一般为无性生殖
植物细胞的全能性
（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选材少，繁殖率高，便于自动化管理。
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
【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。
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。
一、植物繁殖的新途径
注意说明
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。
铁皮石斛的产业化育苗
一、植物繁殖的新途径
2、作物脱毒
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。
一、植物繁殖的新途径
马铃薯
a.作物病毒积累
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
b.优点：
明显提高农作物的产量和品质
一、植物繁殖的新途径
2、作物脱毒
c.脱毒方法
取材：顶端分生区（如茎尖、根尖：病毒极少，甚至无毒）
组培
脱毒苗
d.实例：
注：脱毒苗不等于抗毒苗。
与快速繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。
植物分生区细胞繁殖快速，病毒来不及侵入
一、植物繁殖的新途径
1、马铃薯利用它的块茎进行无性繁殖，种植的世代多了以后往往会感染病毒而减产，为此农户都希望得到无病毒的幼苗进行种植。获得无病毒幼苗的最佳方法是
A.选择优良品种进行杂交
B.进行远缘植物体细胞杂交
C.利用芽体进行组织培养
D.采用单倍体育种
C
练习
2、如图为培育甘蔗脱毒苗的两条途径，研究发现经②过程获得的幼苗脱毒效果更好。相关叙述错误的是
A.①过程所取茎尖中的叶原基具有较高的分裂、分化能力
B.②过程的作用可能是阻碍病毒等进入茎尖分生组织
C.③④过程中基因的选择性表达导致了细胞脱分化
D.培养基A、B中生长素和细胞分裂素的含量和比例不同
C
练习
3、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_______________________
______________________。
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
练习
单倍体
由生殖细胞直接发育而来，无论体细胞中含有几个染色体组一律称为单倍体。
①成因：
②代表生物：
③特点：
由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而成。
蜜蜂中的雄蜂
植物枝叶茎杆弱小，果实多而小，一般高度不育（不是全部）。
④应用：
单倍体育种
二、作物新品种的培育
1.单倍体育种
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
植物细胞的全能性、染色体数目变异
二、作物新品种的培育
取花药
单倍体幼苗
脱分化
纯合二倍体
人工诱导染色体加倍
优良品种
选择
愈伤组织
再分化
花药离体培养
（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
2.缺点：操作复杂
1.优点：能明显缩短育种年限
DDTT（♀）× ddtt（♂）
第一年
第二年
筛选
DdTt
（抗倒伏，不抗病）
（倒伏，抗病）
二倍体生物
（组织培养）
DT Dt dT dt
花药离体培养和人工诱导染色体数目加倍
二、作物新品种的培育
Aa
A
a
AA
aa
单倍体(n)
纯合二倍体(2n)
二倍体(2n)
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。
二、作物新品种的培育
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。
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。
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。
二、作物新品种的培育
2.突变体的利用
（1）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
诱变处理
二、作物新品种的培育
（5）实例：
抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
（4）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。
二、作物新品种的培育
（3）利用：
筛选对人们有利的突变体,进而培育成新品种。
4、下图是利用某植物（基因型为AaBb）产生的花粉进行单倍体育种的示意图，据图判断下列说法错误的是
A.过程②通常使用的试剂是秋水仙素，作用时期为有丝分裂前期
B.通过过程①得到的植株既有纯合子又有杂合子
C.过程①属于植物的组织培养，在此过程中必须使用一定量的植物激素
D.与杂交育种相比，该育种方法的优点是能明显缩短育种年限
B
练习
5、培育农作物新品种的过程中，常利用植物组织培养技术。下列叙述正确的是
A.培育转基因的外植体得到的新个体属于基因突变个体
B.在植物组织培养过程中用理化因素诱导可获得大量有益突变体
C.单倍体育种中经减数分裂和组织培养两个过程能获得纯合二倍体
D.在培养基中加入不同浓度的氯化钠溶液，可筛选出抗盐植株
D
练习
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，在特定条件下进行。
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）。
③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。
利用植物细胞培养来获得目标产物
细胞产物的工厂化生产
三、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
一种用于植物细胞培养的反应器
（3）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
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。
优势
三、细胞产物的工厂化生产
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。
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
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
世界首例药用植物细胞工程产品 —— 紫草宁
三、细胞产物的工厂化生产
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，又实现了利用植物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。
人参皂苷（ɡān）
注意：
① 一般组织培养到愈伤组织即可（因为此时细胞分裂能力旺盛，代谢快，有利于产物生成。）
②液体培养基（培养液）有利于培养的细胞与营养物质充分接触。
人参皂苷工厂化生产的基本流程：
人参根 　 愈伤组织 　　 增长速度快、细胞内人参皂苷干粉含量高的细胞 大量细胞　　
提取人参皂苷干粉
脱分化
培养选择
破碎细胞
放入发酵罐
细胞增殖
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。
三、细胞产物的工厂化生产
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。
【归纳总结】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
拓展延伸
原理 优点 缺点
诱变育种 基因突变 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 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
6、将紫草细胞进行细胞培养，诱导其脱分化产生愈伤组织，再对愈伤组织进行悬浮培养使其大量增殖，以获取大量的紫草宁。下列关于紫草宁的工厂化生产的叙述，错误的是
A.细胞产物的工厂化生产是植物细胞工程的重要用途之一
B.培养过程中需要脱分化形成愈伤组织，然后悬浮培养愈伤组织细胞
C.培养的愈伤组织需要经过再分化产生特定的组织细胞后才能产生特定的细胞产物
D.培养的细胞收集后一般要破碎提取有效成分
C
练习
7、下列关于植物组织培养及其应用的说法中，不正确的是
A.植物体任何部位的活细胞均可作为组织培养的外植体
B.不同培养阶段的培养基中生长素与细胞分裂素的比例应不同
C.单倍体育种和转基因植物的培育需要利用植物组织培养技术
D.利用植物组织培养技术可实现某些重要细胞产物的工厂化生产
8、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
A
练习
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
课堂小结
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
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。
拓展应用
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。
拓展应用
谢谢观看！

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