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【本节聚焦】
1.植物细胞工程在生产实践中有哪些应用？
2.植物细胞工程应用于生产实践的主要优势是什么？
第二章 细胞工程
第2节 植物细胞工程的应用
问题探讨
铁皮石斛
经济苗木、名贵花卉、珍稀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……如何解决？
石斛：驱解虚热，养胃生津、提高免疫力、延年益寿等疗效、观赏价值。
快速繁殖
思考
一、植物繁殖的新途径
用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，也叫作微型繁殖技术。
外植体
愈伤组织
人工胚状体
(或根/芽)
幼苗
脱分化
再分化
完整植株
一般为无性生殖
植物细胞的全能性
（2) 生殖方式：
（3) 原理：
(1) 概念：
注意：扦插、压条、嫁接等不属于微型繁殖技术。
1.快速繁殖
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。
实例：
铁皮石斛
甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的产生已形成一定规模。
思考：1.快速繁殖中能否用花粉作为外植体？
不能，因为用花粉作外植体会出现性状分离。
　思考：2.快速繁殖得到的产物会不会出现性状分离？为什么？
不会。快速繁殖利用的是植物组织培养技术，属于无性繁殖，可以保持亲本的优良性状。
（4）优点：
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保持优良品种的遗传特性，可实现产业化生产
试管苗大规模培养
植物繁殖的新途径还有什么呢？
一、植物繁殖的新途径
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
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。
（3）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
（1）脱毒原因
（2）脱毒方法
再分化
脱毒苗
作物脱毒
经水浴处理后，再组织培养效果更好：
因水浴处理可延缓病毒增殖和扩散速度。
一、植物繁殖的新途径
脱毒苗不等于抗毒苗。
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；
（4）脱毒产品
甘蔗
香蕉
菠萝
脱毒草莓
作物脱毒
一、植物繁殖的新途径
课堂练习
1.葡萄的扦插、桃树的嫁接、石榴的压条繁殖方式都属于微型繁殖。( )
2.脱毒苗培育所选的组织培养材料可以来自植株的任何部位。( )
3.取茎尖分生组织进行组织培养，可获得抗毒苗。( )
4.作物脱毒与微型繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。（ ）
5.从植物体上获取任何细胞，经组织培养得到的植株与亲本性状一定都完全一致。（ ）
×
×
×
×
√
[注意] 脱毒苗 ≠ 抗毒苗
体细胞 VS 花粉（生殖细胞）
没有经过组织培养
顶端分生区附近（如茎尖）
当以花粉为外植体进行植物组织培养时，得到的植株与亲本性状还一致吗？
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？
二、作物新品种的培育
1. 单倍体育种
（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
花药离体培养
诱导染色体加倍
二倍体植株
单倍体植株
二倍体植株（纯合子）
（秋水仙素处理）
单倍体育种包括哪些主要步骤？
二、作物新品种的培育
①后代都是纯合子，能稳定遗传
②明显缩短育种年限，加速育种进程
③作为体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料
(3)优点:
1. 单倍体育种
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。
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。
(4)实例：
二、作物新品种的培育
2. 突变体的利用
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。
（1）产生原因：
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
脱分化
愈伤组织
再分化
突变体
筛选培育
新品种
诱变处理
不一定，因为突变是不定向的。
诱变处理的对象？为什么？产生的变异一定符合需要吗？
二、作物新品种的培育
（5）实例：
（3）原理：
（4）优缺点：
2. 突变体的利用
基因突变（或染色体变异）；植物细胞的全能性。
提高愈伤组织的突变率，加速育种进程。
难以控制突变的方向，有利性状比较少，需要大量处理实验材料。
已筛选出抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体，
抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
紫草宁（紫草的一种药物和色素）
具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性（首例药用植物细胞工程产品）
紫杉醇（红豆杉的一种次生代谢物）
具有高抗癌活性，已被用于乳腺癌等癌症的治疗
问题:能不能利用植物细胞工程技术生产紫杉醇？
①是生物生长和生存所必需的代谢活动；
②在整个生命过程中一直进行；
③初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质、核酸等。
①概念：植物代谢产生的，不是植物基本生命活动所必需的产物。
一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等）
②用途：在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料
和色素等的重要来源。
应用多、产量低、破坏植物资源
红豆杉→紫杉醇
紫草→紫草宁
（1）初生代谢：
（2）次生代谢物：
植物的代谢产物
1
三、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。
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。
2.植物细胞培养
(1)概念：
外植体
脱分化
愈伤组织
细胞悬液
细胞产物
培养、提取、破碎
振荡分散
（2)过程：
注意：
Ⅰ. 一般培养到愈伤组织阶段，从愈伤组织的细胞中获得细胞产物。因为此时细胞分裂能力强，代谢快，产物多；
Ⅱ. 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。
（液体培养基）
该过程不能体现植物细胞的全能性
三、细胞产物的工厂化生产
（3）优点：快速高效，不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制。
（4）意义：对于社会、经济、环境保护具有重要意义。
（5）实例：
a.工厂化生产人参皂甙干粉的基本流程：
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
三、细胞产物的工厂化生产
（5）实例：
b.工厂化生产紫杉醇的基本流程：
离体植物组织
脱分化
愈伤组织
从愈伤组织中提取紫杉醇
红豆杉
紫杉醇
植物细胞培养与植物组织培养有什么区别
思考
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
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
三、细胞产物的工厂化生产
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
四种育种方法的比较
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。
手指植物
外植体
愈伤组织
试管苗
脱分化
再分化
植株
作物脱毒
选择顶端分生组织
快速繁殖
单倍体育种
选择花药
进行诱变
突变体的利用
分散后
悬浮培养
3.细胞产物的工厂化生产
2.植物新品质的培育
1.植物繁殖的新途径
筛选
课堂小结
单倍体育种得到的都是纯合子
课堂练习
A.过程②通常使用的试剂是秋水仙素，作用时期为细胞有丝分裂前期
B.通过过程①②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
或植物生长调节剂
D.与杂交育种相比，该育种方法的优点是能明显缩短育种的年限
√
1.如图是利用某种植物(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，下列叙述错误的是
课堂练习
2.如图是通过植物细胞工程获得紫杉醇的途径，下列叙述不正确的是
A.该生产途径依据的原理是植物细胞具有全能性
B.过程①需控制好培养基中植物激素或植物生长调节剂的比例
C.经过过程①，细胞的形态和结构发生变化
D.过程③需使用液体培养基，有利于细胞增殖
√
细胞增殖
3. 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。（ ）
4.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
课堂练习
　　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。
　　【答案】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
【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。
拓展应用

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