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第1节 植物细胞工程
第2章 细胞工程
第二课时 植物细胞工程的应用
高中生物学·人教版(2019)·选择性必修3
课堂导入
植物细胞生产新路径
视频中利用植物细胞工程技术实现了高含量花青素植物组织、人参不定根、石斛原球茎等植物细胞的工业化量产。植物细胞工程在生产实践中还有哪些应用？
01
植物繁殖的新途径
02
作物新品种的培育
目录
03
细胞产物的工厂化生产
04
练习与应用
植物繁殖的新途径
01
探究新知
一、植物繁殖的新途径
(一) 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，也叫微型繁殖技术。
2.过程
愈伤组织
再分化
芽、根
试管苗
外植体
脱分化
植株
移栽
3.生殖方式
一般为无性生殖
4.原理
植物细胞的全能性
5.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
(一) 快速繁殖
6.实例
为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提供苗木。甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产，已形成一定规模。
铁皮石斛的工厂化生产
愈伤组织细胞分裂旺盛、快速，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、气候等限制。
思考：植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么？
一、植物繁殖的新途径
(二) 作物脱毒
一、植物繁殖的新途径
(二) 作物脱毒
1.作物脱毒的原因
作物病毒积累
马铃薯
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
普通草莓
脱毒草莓
一、植物繁殖的新途径
(二) 作物脱毒
2.选材部位及原因
植物 。
顶端分生区附近（如茎尖、根尖）
　　　 　　的病毒极少，甚至　 　　。
分生区附近
无病毒
部位：
原因：
3. 脱毒方法
茎尖
脱分化
愈伤组织
再分化
芽、根
试管苗
脱毒苗
移栽
通过组织培养技术获得的脱毒苗是否具有抗病毒能力？
与快速繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。
注：脱毒苗≠抗毒苗
抗毒苗
抗病基因
导入
植物细胞
植物组织培养
完整植株
基因工程范畴
一、植物繁殖的新途径
(二) 作物脱毒
4.原理
5.优点
6.实例
植物细胞的全能性
明显提高农作物的产量和品质
马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等。
马铃薯
脱毒草莓
甘蔗
菠萝
香蕉
拓展延伸
人工种子
1.概念
2.过程
4.生殖方式
通过植物组织培养的方法获得的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等材料外面包被着人工薄膜，在适宜的条件下可以发芽成幼苗的种子。
外植体
愈伤组织
脱分化
胚状体
再分化
完整植物体
制成人工种子
种下去
包裹人工种皮
无性生殖
胚状体
人工胚乳
人工种皮
人工薄膜，透气透水
胚状体（不定芽、顶芽和腋芽）
营养物质+抗生素、
农药+有益菌+植物生长调节剂
3.组成
拓展延伸
人工种子
5.优点
⑤后代无性状分离，保持优良品种的遗传特性
①易于储藏和运输
④解决某些作物品种繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题
③避免占用大量土地制种，节约粮食
②不受季节、气候和地域的限制
(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。（ ）
×
×
×
×
√
体细胞 VS 花粉（生殖细胞）
习题巩固
1.辨正误
没有经过组织培养
[注意]脱毒苗≠抗毒苗
顶端分生区附近（如茎尖）
习题巩固
2.（2026·福建·一模）草莓品种“黑珍珠”因甜度高，花青素等抗氧化物质含量丰富，经济价值较高，已在我国小范围引种成功。为满足种植需求，农业研究人员利用微型繁殖技术实现种苗的快速大量繁殖，具体过程如图所示。下列叙述正确的是（ ）
A．选用含病毒少的茎尖作为外植体，可以不用消毒
B．过程①形成愈伤组织必须给予适当时间的光照
C．过程②诱导生根和诱导生芽的植物激素比例相同
D．相比杂交育种该方法更能保持“黑珍珠”的优良性状
D
习题巩固
3.（2024·甘肃·高考真题）兰州百合栽培过程中易受病毒侵染，造成品质退化。某研究小组尝试通过组织培养技术获得脱毒苗，操作流程如下图。下列叙述正确的是（ ）
A．①为脱分化过程，1号培养基中的愈伤组织是排列规则的薄壁组织团块
B．②为再分化过程，愈伤组织细胞分化时可能会发生基因突变或基因重组
C．3号培养基用于诱导生根，其细胞分裂素浓度与生长素浓度的比值大于1
D．百合分生区附近的病毒极少，甚至无病毒，可以作为该研究中的外植体
D
作物新品种的培育
02
探究新知
二、作物新品种的培育
阅读教材第40—41页“作物新品种的培育”小组讨论、回答以下问题，并展示交流设计的思路。
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）？
你可以想到几种育种方法 请你设计相关实验思路。
小组讨论
设计筛选纯合的紫色甜玉米的实验思路。
(1)杂交育种
(2)单倍体育种
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
×
A_ss
F3
第4-6年
配子：
P：
二、作物新品种的培育
连续自交多代
第1年
第2年
二、作物新品种的培育
(一) 单倍体育种
1.单倍体
2.过程
由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而成的个体。
植株弱小，一般高度不育。
二倍体植株
单倍体植株
二倍体植株
（纯合子）
花药离体培养
诱导染色体加倍
（秋水仙素处理）
二、作物新品种的培育
(一) 单倍体育种
3.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
4.优点
① 明显缩短育种的年限，节约大量的人力和物力。
② 二倍体的子代都是纯合子,能稳定遗传。
③ 是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。
5.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!
二、作物新品种的培育
(二) 突变体的利用
1.产生
原因
2.过程
植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断______的状态，容易受到_________和_________（如射线、化学物质等）的影响而产生_____。
增殖
培养条件
外界压力
突变
筛选
突变体
愈伤组织
新品种
外植体
培育
脱分化
再分化
诱变处理
3.原理
突变(基因突变和染色体变异）和植物细胞的全能性。
思考：诱变处理的对象为什么要选择愈伤组织？产生的变异一定符合需要吗？
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。
二、作物新品种的培育
(二) 突变体的利用
4.优点
提高突变率；加速育种进程；产生新基因，大幅度改良某些性状。
5.缺点
由于突变的不定向和低频性，有利性状比较少，需要大量处理实验材料。
6.实例
抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
习题巩固
1.下列关于单倍体和单倍体育种的叙述，正确的是（　　）
A．单倍体植株的体细胞中只有一个染色体组
B．单倍体植株高度不育的原因是没有同源染色体或联会紊乱
C．单倍体育种时，杂合子的花药均需筛选后再进行离体培养
D．单倍体育种后得到的植株一定是纯合子
B
1个或多个
先进行离体培养，并用秋水仙素处理单倍体幼苗后再进行筛选
习题巩固
2.植株甲是自花传粉的二倍体植物，基因型为AaBb，这两对基因独立遗传。下图为利用植株甲培育植株A、B、C、D的过程。将植株甲自交所结的种子种下，可得到植株C。下列说法正确的是（ ）
A．利用植株甲的花粉粒获得植物A的育种方法称为单倍体育种
B．植株C的获得需要用到植物组织培养技术
C．图中某种药剂是秋水仙素，作用时期为细胞有丝分裂的后期
D．对愈伤组织进行诱变处理，从分化的植株中可筛选出新品种
D
前期
植物B
3.如图为利用突变体育种技术获得抗除草剂白三叶草新品种的过程。下列叙述不正确的是（ ）
A．该育种过程依据的原理有基因突变和植物细胞具有全能性
B．过程①②培养基中，不同植物生长调节剂的浓度比例不同
C．白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中DNA和RNA种类相同
D．过程④通常采用的筛选方法是向白三叶草幼苗喷洒除草剂
习题巩固
C
细胞产物的工厂化生产
03
探究新知
三、细胞产物的工厂化生产
思考：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。
植物代谢
初生代谢：
次生代谢：
生物生长和生存所必需的代谢活动，整个生命过程一直进行。
不是生物生长所必需的，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）
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、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
(一) 植物的代谢产物
植物细胞培养
①概念：
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原理：
细胞增殖
③材料：
最好是愈伤组织。
三、细胞产物的工厂化生产
(二) 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。
植物细胞培养反应器
④培养基：
液体培养基（培养液）。
细胞分裂能力旺盛，代谢快，有利于产物生成。
有利于培养的细胞与营养物质充分接触。
三、细胞产物的工厂化生产
(二) 细胞产物的工厂化生产
2.过程
愈伤组织
振荡分散
细胞悬液
细胞
悬浮培养
外植体
脱分化
细胞产物
提取
3.优点
不占用耕地、几乎不受季节、天气等的限制；对于社会、经济、环境保护具有重要意义。
注意: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!
4.实例
组培技术生产的人参，生长速度比栽培人参约快100倍以上。
红豆杉→紫杉醇
紫草→紫草宁
抗菌、消炎和抗肿瘤，世界首例药用植物细胞工程产品。
具有高抗癌活性，已被用于乳腺癌等癌症的治疗。
人参→人参皂苷
核心归纳
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
培养基物理性质
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
固体培养基
液体培养基
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
核心归纳
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 植物细胞的 、 ; 、 诱导染色体数目加倍 明显缩短 .
植物体细 胞杂交 细胞膜的 、 植物细胞的 ; 融合、 杂种细胞组织培养 打破 ，
实现 。
植物细胞的全能性
全能性
突变率
全能性
染色体数目变异
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
到社会中去
市场上有一种叫作“手指植物”的工艺品受到很多人的欢迎。这些“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或营养物质， 它们就能在玻璃瓶中生长三四个月之久。学习了本节课之后，你也可以尝试制作“手指植物”。
“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。
习题巩固
1.下列关于细胞产物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．植物细胞产物包括蛋白质、脂肪、药物、香料、生物碱等
C．利用细胞培养技术获得紫草素可实现细胞产物的工厂化生产
D．培养的愈伤组织需要经过再分化形成植株后才能产生特定的细胞产物
D
习题巩固
2.（2023·山东·高考真题）利用植物细胞培养技术在离体条件下对单个细胞或细胞团进行培养使其增殖，可获得植物细胞的某些次生代谢物。下列说法正确的是(　　)
A．利用该技术可获得某些无法通过化学合成途径得到的产物
B．植物细胞体积小，故不能通过该技术进行其产物的工厂化生产
C．次生代谢物是植物所必需的，但含量少，应选择产量高的细胞进行培养
D．该技术主要利用促进细胞生长的培养条件提高单个细胞中次生代谢物的含量
A
利用促进细胞分裂的培养条件，提高了多个细胞中次生代谢物的含量
习题巩固
3.（2024·广东梅州·一模）东北三宝之一的人参，是珍贵的滋补药材，叶片细胞中富含的几十种固醇类物质合称人参皂苷。下列分析正确的是（　　）
A．人参皂苷是人参叶肉细胞中含量最多的有机物
B．人参皂苷不是人参生长所必需的物质，属于次级代谢产物
C．体外培养转基因细菌，可以在内质网上获得人参皂苷
D．人参皂苷是抗氧化剂，能使细胞产生自由基，防止衰老
A
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
突变体的利用
3.细胞产物的工厂化生产
2.植物新品种的培育
1.植物繁殖的新途径
分散后悬浮培养
进行诱变
筛选
课堂小结
趣味交互活动
单击上方链接
1.活动链接
2.操作方法
打开界面
根据各关卡的文本提示进行拖拽或选择操作
3.活动界面预览
植物细胞工程的应用闯关
练习与应用
04
练习与应用
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
二、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。
【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。
练习与应用
【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。
3.下列关于植物细胞工程应用的说法，错误的是（ ）
A．微型繁殖技术可高效、快速地实现种苗的大量繁殖，还可以保持优良品种的遗传特性
B．应用植物组织培养技术得到人参植株，然后从其细胞中提取细胞产物，可实现细胞产物的工厂化生产
C．在植物的组织培养过程中，经化学或物理诱变处理可得到有用的突变体，如抗花叶病毒的甘蔗等
D．采用植物组织培养技术培养茎尖等得到的脱毒作物可提高作物产量和品质
B
愈伤组织阶段
练习与应用
4.郁金香碎色病毒在无性繁殖过程中很容易传播，这种病毒能够影响花青素的合成，导致花瓣上出现不规则的条状及火焰状花纹。图为培育郁金香脱毒苗的两条途径，研究发现经②过程获得的幼苗脱毒效果更好。下列叙述正确的是（　　）
A．带叶原基的芽与植物体其他组织中的病毒含量相同
B．图中获得的脱毒苗与原郁金香苗相比细胞核遗传物质发生了改变
C．可推测②过程的温度处理有利于组织中的病毒失去活性
D．过程③、④均属于再分化，所以培养基A和B各成分含量相同
C
练习与应用
病毒含量低，甚至不含病毒
5.（2026·新疆·二模）薄荷脑，也叫薄荷醇，是一种萜类有机化合物，可从薄荷的叶和茎中提取，可用作牙膏、香水、饮料和糖果等的赋香剂，在医药上用作刺激药，作用于皮肤或黏膜，有清凉止痒的作用。为了快速大量生产薄荷脑，科学家们制定了如下的流程进行生产，下列相关说法正确的是（　　）
A．薄荷脑属于初生代谢产物，植物细胞含量很低
B．上述薄荷脑生产过程的理论基础是植物细胞的全能性
C．图中采用薄荷茎尖为材料进行培养是为了获得抗病毒的细胞
D．图中A过程不需要光照，但需要提供有机营养
D
练习与应用
次生
细胞增殖
脱毒
6.（2026·四川广安·一模）随着合成生物学的发展，利用植物细胞悬浮培养体系生产高价值次生代谢产物（如青蒿素、紫杉醇等）已成为一种新型的“细胞工厂”模式。该技术不依赖传统种植，在生物反应器中即可实现工业化生产，为缓解某些药物原料短缺问题提供了新路径。下列叙述正确的是（ ）
A．该技术利用了植物细胞的全能性，需经历脱分化和再分化过程才能获得产物
B．培养过程中生长素与细胞分裂素的比例，是决定细胞分裂与分化的关键因素
C．与传统农田种植相比，该模式完全不受环境因素影响，实现产物的稳定高产
D．该技术使药物生产可以完全不依赖农业生产，是保障供应安全的根本途径
B
练习与应用
7.（2026·山东枣庄·一模）利用植物细胞培养技术在离体条件下对单个细胞或细胞团进行培养使其增殖，可获得植物细胞的某些次生代谢物。下列说法正确的是（　　）
A．次生代谢产物是植物基本生命活动必需的一类小分子有机化合物
B．可以利用基因工程对植物细胞进行改造，筛选出产量高的细胞进行培养
C．该技术生产的紫杉醇具有高抗癌性，说明其能提高免疫系统的免疫自稳功能
D．植物只有在特定的组织器官中才能产生次生代谢产物，所以必须定向选取外植体
B
植物细胞具有全能性，离体培养时可通过调节培养基成分诱导细胞产生次生代谢物。
练习与应用

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