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第二章 细胞工程
第1节 植物细胞工程
人教版·选择性必修3
（第二课时）
植物细胞工程的应用
植物细胞工程的应用
植物细胞
工程的应用
快速繁殖
作物脱毒
植物繁育的新途径
细胞产物的工厂化生产
单倍体育种
突变体的利用
作物新品种的培育
农业
医药工业
一、植物繁育的新途径
请阅读课本P39，回答以下问题：
1. 什么是快速繁殖技术？
2. 快速繁殖的核心技术是？
3. 快速繁殖技术有什么优点？有哪些应用实例？
铁皮石斛的工厂化生产
思考·讨论：
一、植物繁育的新途径
1. 快速繁殖技术
①概念：
也叫微型繁殖技术，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。
a、高效快速地实现种苗的大量繁殖
b、无性繁殖，保持优良品种的遗传特性
c、便于自动化管理，可实现产业化生产
愈伤组织阶段，细胞进行旺盛、快速的有丝分裂，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。
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。
②原理：
③优点：
④过程：
【思考】植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么？
愈伤组织
再分化
芽、根
试管苗
外植体
脱分化
植株
移栽
2. 作物脱毒
长期进行无性繁殖的作物，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。
一、植物繁育的新途径
①培育脱毒苗的原因：
②选材部位：
植物 。
顶端分生区附近（如茎尖）
选材原因：　　　 　　的病毒极少，甚至　 　　。
分生区附近
无病毒
③方法：
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）
④优点：
脱毒作物的产量和品质明显优于没有脱毒的作物。
现有纯合的高秆抗病小麦（DDTT）和矮秆感病小麦(ddtt)，怎样尽快得到纯合的矮秆抗病的优良品种(ddTT)？你能想到几种育种方法？。
思考·讨论：
二、作物新品种的培育
P
高杆抗病
矮杆不抗病
DDTT
ddtt
×
↓
高杆抗病
DdTt
F1
↓
F2
高杆抗病
9D_T_
高杆不抗病
3D_tt
矮杆抗病
3ddT_
矮杆不抗病
1ddtt
（淘汰）
（淘汰）
（保留）
（淘汰）
多次自交选种
矮杆抗病
ddTT
杂交
自交
选种
多次自交选种
优良性状的纯合子
杂交育种
纯种既矮杆抗病（ddTT）的小麦育种过程

第1年
第2年
第3-6年
二、作物新品种的培育
花药
单倍
体幼苗
DDTT DDtt ddTT ddtt
花药离
体培养
秋水仙
素处理
DdTt
DT Dt dT dt
纯种既矮杆抗病（ddTT）的小麦育种过程
杂交
高杆抗病
矮杆不抗病
DDTT
ddtt
×
DT Dt dT dt
正常植株
第1年
第2年
单倍体育种
二、作物新品种的培育
现有纯合的高秆抗病小麦（DDTT）和矮秆感病小麦(ddtt)，怎样尽快得到纯合的矮秆抗病的优良品种(ddTT)？你能想到几种育种方法？。
思考·讨论：
杂交育种
单倍体育种
二、作物新品种的培育
二、作物新品种的培育
1. 单倍体育种
①方法：
②过程：
花药（花粉）离体培养 + 人工诱导染色体加倍
花药中的花粉
单倍体
幼苗
秋水仙素
处理
纯合体
筛选
优良性状
纯合体
愈伤组织
离体培养
脱分化
再分化
单倍体：
由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而来的个体。
单倍体植株长得弱小，而且一般高度不育。
秋水仙素/低温
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
二、作物新品种的培育
二、作物新品种的培育
1. 单倍体育种
①方法：
其中花药培养的原理是植物细胞的全能性。
a、明显缩短育种年限，节约大量的人力和物力。
b、子代全是纯合子，自交后代不发生性状分离，能稳定遗传。
②过程：
③原理：
④优点：
花药（花粉）离体培养 + 人工诱导染色体加倍
花药中的花粉
单倍体
幼苗
秋水仙素
处理
纯合体
筛选
优良性状
纯合体
能够抑制纺锤体的形成，导致染色体不能移向细胞的两极，从而引起细胞内染色体数目加倍。
愈伤组织
离体培养
脱分化
再分化
染色体数目变异
二、作物新品种的培育
1. 单倍体育种
⑤单倍体育种的应用：
⑥单倍体育种的成果：
是作物育种的有效途径；
为进行体细胞诱变育种和研究遗传突变提供材料。
单倍体育种的应用
a、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
b、与常规育种结合，育成水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等新品种。
二、作物新品种的培育
2. 突变体的利用
① 突变体的来源：
② 原理：
基因突变和植物细胞的全能性。
植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，容易受到培养条件和外界压力（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人们有用的突变体，进而培育成新品种。
③ 过程：
诱变处理
新品种
愈伤组织
再分化
突变体
外植体
脱分化
筛选
培育
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。不一定，因为突变是不定向的。
【思考】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
2. 突变体的利用
④ 优点：
⑤ 缺点：
通过人工诱变提高愈伤组织的突变率，加快育种进程。
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 实例：
已筛选出抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的新品种，如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
大幅度地改良某些性状。
三、细胞产物的工厂化生产
资料分析：
红豆杉，又名紫杉。1971年，科学家从红豆杉树皮中分离出了紫杉醇，发现它具有独特的抗肿瘤作用。距《人民日报》2001年10月17日报道，2000年国际上优质紫杉醇的售价已高达每千克18万美元。1994—1996年，在红豆杉分布最多、最集中的云南，红豆杉遭受了一场浩劫。盗伐者大量砍伐红豆杉，使大大小小的山沟里，到处都是被剥光树皮的裸树，溪河的水浸出鲜血般的红色树汁……野生红豆杉是濒危植物，直接从它的树皮和树叶中提取紫杉醇的传统生产方式，不仅产量低，还会对野生红豆杉资源造成严重破坏，而紫杉醇的化学全合成法尚不具备生产应用价值。
1、紫杉醇是什么？能不能运用植物细胞工程技术来生产紫杉醇？
紫杉醇是存在于红豆杉属植物体内的一种次生代谢物，具有高抗癌活性。
思考·讨论：
三、细胞产物的工厂化生产
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
三、细胞产物的工厂化生产
2. 细胞产物的工厂化生产
①概念：
人们期望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。
植物细胞培养
①概念：
是指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材料：
最好是愈伤组织。
③培养基：
液体培养基（培养液）。
植物细胞培养反应器
三、细胞产物的工厂化生产
2. 细胞产物的工厂化生产
③优点和意义：
④实例：
②流程：
优点：不占用耕地、几乎不受季节、天气等的限制。
意义：对于社会、经济、环境保护具有重要意义。
红豆杉 → 紫杉醇
紫草 → 紫草宁
人参 → 人参皂苷
愈伤组织
振荡分散
细胞悬液
细胞
悬浮培养
外植体
脱分化
培养
细胞产物
提取
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。
【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。（ ）
练习与应用
教材P42
√
×
三、细胞产物的工厂化生产
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
【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。
练习与应用
教材P42
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。
三、细胞产物的工厂化生产
【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。
练习与应用
教材P42
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。
三、细胞产物的工厂化生产
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