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第1节 植物细胞工程
第2课时：植物细胞工程的应用
第二章
知识回顾
1.植物组织培养概念：
指离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其分化为完整植株的技术。
2.植物组织培养原理：
植物细胞具有全能性
3.植物组织培养基本过程：
外植体→脱分化→愈伤组织→再分化→试管苗
4.植物组织培养过程中植物激素对植物细胞发育方向的影响：
生长素与细胞分裂素的比值高 有利于根的分化，抑制芽的形成
生长素与细胞分裂素的比值低 有利于芽的分化，抑制根的形成
生长素与细胞分裂素的比值适中 促进愈伤组织的形成
知识回顾
1.植物体细胞杂交的概念：
植物体细胞杂交是指将不同来源的植物体细胞，在一定条件
下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。
2.遵循原理：细胞膜具有流动性；细胞的全能性
3.两个标志：
（1）植物细胞融合完成的标志：再生出新的细胞壁
（2）植物体细胞杂交完成的标志：培育成新植物体
4.优点：
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面展示出独特的优势。
铁皮石斛的工厂化生产
请阅读课本P39-40，回答以下问题：
1.什么是快速繁殖技术？快速繁殖的核心技术是？
2.快速繁殖技术有什么优点？有哪些应用实例？
3.作物为什么要进行脱毒？
4.应该选择植物的什么部位培育脱毒苗？为什么要选择该部位？
5.培育脱毒作物的流程是怎样的？脱毒作物有何优点？
1.快速繁殖
（1）概念
（2）原理
（3）优点
也叫微型繁殖，是用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术
植物细胞的全能性
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
⑤培养周期短,便于自动化管理,有利于进行工厂化培养。
愈伤组织
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
芽、根
试管苗
植株
移栽
（4）过程：
（5）实例：
提供苗木。甘蔗、桉树和铁皮斛等试管苗的生产，已经形成规模。
1.快速繁殖
（1）概念
（2）原理
（3）优点
也叫微型繁殖，是用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术
植物细胞的全能性
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
⑤培养周期短,便于自动化管理,有利于进行工厂化培养。
*扦插、压条、嫁接等是营养繁殖，也属于无性繁殖，
不属于微型繁殖技术
愈伤组织
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
芽、根
试管苗
植株
移栽
（4）过程：
（5）实例：
提供苗木。甘蔗、桉树和铁皮斛等试管苗的生产，已经形成规模。
2.为什么快速繁殖技术可以保持优良品种的遗传特性？
因为植物的体细胞中含有相同的遗传物质，植物组织培养过程中通过有丝分裂增加细胞数目，细胞分裂、分化过程中遗传物质保持不变，所以植物的微型繁殖技术属于无性繁殖。
1.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。
（2）选材部位：
植物 。
（3）方法：
顶端分生区附近（如茎尖）
（4）优点：
2.作物脱毒
选材原因：　　　 　　的病毒极少，甚至　 　　。
分生区附近
无病毒
无性繁殖的方式进行繁殖的作物，感染的病毒很容易传给后代，病毒在作物体内逐年积累，会导致作物产量降低、品质变差。
植物分生区病毒极少，切取茎尖进行组织培养获得脱毒苗。（即：茎尖组织培养技术）
（1）培育脱毒苗的原因：
脱毒作物的产量和品质明显优于没有脱毒的作物
与微型繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。
适用对象：无性繁殖的作物
（5）实例
脱毒草莓
普通草莓
已在马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等许多作物上获得成功
脱毒苗是选择植物的茎尖进行组织培养而获得的，
只是体内不含病毒，不能抵抗病毒侵染，属于细胞工程的范畴；
抗毒苗是把某抗病基因导入植物细胞，属于基因工程的范畴；
脱毒苗≠抗毒苗
思考：经植物组织培养培育出的脱毒苗是抗病毒吗？为什么
前者指的是本身病毒少，甚至无病毒，受病毒感染的机会少，而后者指的是能抵抗病毒的感染。
实际问题：
传统的育种方法：
原理：
缺点：
传统方法： 杂交育种
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
↓
×
选育出需要
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
现有紫色非甜玉米（基因型AASS）和白色甜玉米（基因型aass），如何获得纯种的紫色甜玉米（基因型AAss）？
通过杂交把两亲本的优良性状组合在同一后代中(基因重组)
杂交育种
多年纯化和选择，才得到符合理想要求的新品种
如何解决育种时间过长的问题？
传统方法： 杂交育种
单倍体育种
P：
紫色非甜玉米
AASS
×
白色甜玉米
aass
紫色非甜玉米
AaSs
↓
配子：
AS
As
aS
as
花药离体培养
单倍体幼苗：
AS
As
aS
as
纯合体:
AASS
AAss
aaSS
aass
选择紫甜玉米即为新品种
现有紫色非甜玉米（基因型AASS）和白色甜玉米（基因型aass），如何短时间获得纯种的紫色甜玉米
（基因型AAss）？
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
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）。
（自然界中的单倍体生物）
卵细胞 → 雄蜂
1. 单倍体育种（以亲本为二倍体为例）
（1）过程
（2）原理：
（其中花药离体培养利用了植物细胞的全能性）
染色体数目变异
单倍体育种包括哪些主要步骤？
低温或秋水仙素的作用：抑制有丝分裂前期纺锤体的形成，着丝粒分裂形成的子染色体不能分配到两极形成两个细胞，从而使染色体数目加倍。
花药中的花粉
单倍体
幼苗
秋水仙素
处理
二倍体植株（纯合）
筛选
优良性状
纯合体
愈伤组织
离体培养
脱分化
再分化
花药离体培养
(植物细胞的全能性)
秋水仙素处理
(染色体数目变异)
（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。
③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，进而能明显缩短育种年限。
（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
为什么？
②后代是纯合子，能稳定遗传。
（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。
③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，进而能明显缩短育种年限。
（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
为什么？
②后代是纯合子，能稳定遗传。
因为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显现。
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。
从产生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。
2.突变体的利用（诱变育种）
（1）
（2）过程：
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
突变体
筛选
培育
新品种
诱变处理（射线、化学物质等）
（4）原理：
突变（基因突变和染色体变异）和植物细胞的全能性。
（3）常用材料：
愈伤组织
愈伤组织细胞不断分裂，细胞要进行DNA分子复制，因此更易发生突变。
诱变处理的对象？为什么？产生的变异一定符合需要吗？
不一定，因为突变是不定向的。
2.突变体的利用
（7）实例：
抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
（5）优点：
通过人工诱变提高愈伤组织的突变率，从而筛选获得抗病、抗盐、高产、优质的新品种，加快育种进程，大幅度地改良某些性状
突变具有不定向性、多害少利和低频性，因此需要处理大量突变材料，并从中筛选出符合人们需要的品种。
（6）缺点：
抗除草剂白三叶草
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 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
1. 植物的代谢产物
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。
不是植物基本生命活动所必需的，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
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）
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
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
2.细胞产物的工厂化生产
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。
（1）概念：
（3）过程：
外植体
脱分化
愈伤组织
细胞产物
培养、提取
细胞悬液
分散开
去壁
（2）原理：
植物细胞培养
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。
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。
3.植物细胞培养：
（1）概念：
（2）材料：
一般是愈伤组织
液体培养基（培养液）
有利于培养物与营养物质充分接触
（3）培养基：
（5）优点：
因为此时细胞分裂旺盛，代谢快，有利于产物生成。
（4）流程：
（6）实例：
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
外植体
脱分化
愈伤组织
细胞产物
培养、提取
工厂化生产人参皂甙干粉的基本流程：
人参根 　 愈伤组织 　　 增长速度快而且细胞内人参皂甙干粉含量高的细胞 细胞增殖　　 提取人参皂甙干粉
脱分化
培养选择
破碎细胞
放入发酵罐
细胞产物工厂化生产实例
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
紫杉醇——具有高抗癌活性，已被用于乳腺癌等癌症的治疗
紫草宁——具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性
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
“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
保持优良性状
快速大量繁殖
快速
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
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
练习与应用（P42）
【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。
练习与应用（P42）
二、拓展应用

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