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第二章 细胞工程
1.1.2 植物细胞工程的应用
一、植物繁殖的新途径
1.快速繁殖
植物组织培养
微型繁殖
快速繁殖优良品种的 技术，被人们形象的称为植物的快速繁殖技术，也叫做 技术。
①无性繁殖，保持优良品种的遗传特性。
②高效、快速地实现种苗的大量繁殖。
③选材少，繁殖率高，可实现工厂化生产
④不受自然生长季节的限制，培养周期短。
特点
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
芽、根
试管苗
植株
移栽
植物组织培养可以进行快速繁殖的原因？
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。
快速繁殖过程
2.作物脱毒
病毒
无性
分生区
马铃薯、草莓和香蕉等通常都是 （无性/有性）繁殖的作物，他们感染的 很容易传播给后代，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。科学家们发现植物顶端 附近（如茎尖）的病毒极少，甚至无病毒，因此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 。
组织培养
脱毒苗
马铃薯
草莓
香蕉
脱分化
愈伤组织
顶端分生区（如茎尖）
病毒极少，甚至无毒
优点：
明显提高农作物的产量和品质
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
再分化
脱毒苗
注：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。
6
01
实例：
脱毒草莓
普通草莓
脱毒马铃薯田与被病毒感染未脱毒马铃薯叶片
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。
二、作物新品种的培育
单倍体育种：常规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。而单倍体育种则是通过花药（或花粉）培养获得 ，经过诱导染色体加倍，当年便可以得到 的纯合二倍体植株，这样就极大地缩短了 。节约了大量的人力物力，单倍体育种已经成为作物育种的一条有效途径。
单倍体植株
育种年限
稳定遗传
单倍体育种
由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而成的个体
单倍体植株矮小且多为不育
花药离体培养
优良品种
花药
花粉
单倍体
纯合二倍体
人工诱导
染色体加倍
选择
杂交育种
单倍体育种
紫色非甜玉米
AASS
×
白色甜玉米
aass
紫色非甜玉米
AaSs
↓
AS
As
aS
as
花药离体培养
单倍体幼苗：
AS
As
aS
as
纯合体:
秋水仙素处理
染色体加倍
AASS
AAss
aaSS
aass
选择紫甜玉米即为新品种
P：
紫色非甜玉米
AASS
×
白色甜玉米
aass
F1
紫色非甜玉米
AaSs
第1年
×
选育出紫甜的纯种
F2
A_S_
A_ss
aaS_
aass
紫甜
第2年
第3年
×
生长
A_ss
F3
第4年
配子：
P：
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。
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。
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
突变体的利用：在植物的组织培养过程中，由于培养的细胞一直处于不断的 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。从而产生从而产生 ，从这些突变的个体中，可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。
增殖
突变
体细胞诱变育种：在作物育种中，可以对植物的 进行化学或物理的诱变处理，促使其发生突变，再通过诱导分化形成植株。从这些植株中筛选出高抗，高产，优质的突变体，就可以培育成新品种。
愈伤组织
二、作物新品种的培育
实例：
抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
白车轴草
抗除草剂的白车轴草
三、细胞产物的工厂化生产
植物代谢
初生代谢：
次生代谢：
生物生长生存所必需的代谢活动，整个生命过程一直进行
不是植物基本的生命活动所必需的产物，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。
产物
如糖类、脂质、蛋白质、核酸等
产物
应用
一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等）
①植物次生代谢物含量很低；
②从植物组织提取会大量破坏植物资源；
③有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到。
缺点
a、在植物抗病、抗虫方面发挥作用
b、也是很多药物、香料和色素等的重要来源。
应用多、产量低
植物细胞培养：是指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。
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。
细胞产物的工厂化生产
外植体
愈伤组织
细胞悬液
脱分化
振荡分散
细胞悬浮培养
细胞产物
提取
优点：
不占用耕地、不受季节、天气的限制，
（产量高、节约资源、保护环境）
对社会、经济、环保具有重要意义。
植物细胞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。
外植体
愈伤组织
细胞悬液
脱分化
振荡分散
细胞悬浮培养
细胞产物
提取
实例
含紫草宁量极少
紫草宁
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）
实例
紫杉醇（次生代谢物）
具有高抗癌活性
已用于乳腺癌等癌症的治疗
红豆杉(濒危植物）
筛选高产紫杉醇的细胞
利用植物细胞工程
实例
脱分化
培养选择
破碎细胞
放入发酵罐
人参根
愈伤组织
增长速度快人参皂甙干粉含量高的细胞
愈伤组织
人参皂苷粉
人参→人参皂苷
注意：
① 一般组织培养到愈伤组织即可
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。
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
获得植物体
获得细胞产物
植物细胞的全能性
细胞增殖
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
四种育种方法的比较
育种方法 原理 过程 优点
快速繁殖 脱分化、再分化 保持优良品种的遗传特性
突变体 的利用 基因突变、 细胞的 ; 对愈伤组织进行诱变处理后再筛选 提高 ，获得优良性状
单倍体 育种 细胞的 、 ; 、 诱导染色体数目加倍 明显缩短？
植物体细 胞杂交 细胞膜的 、 细胞的 ; 融合、 杂种细胞组织培养 打破 ，
实现 。
细胞的全能性
全能性
突变率
全能性
染色体变异
先花药离体培养
再秋水仙素
育种年限
流动性
全能性
植物细胞
生殖隔离
远缘杂交
“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。

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