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第2章 细胞工程
第1节　植物细胞工程
第2课时　植物细胞工程的应用
课时目标 1.采用归纳与概括的方法，举例说明植物细胞工程的应用。(科学思维)
2．认同植物细胞工程对社会经济的发展具有重要意义。(社会责任)
一、植物繁殖的新途径
1．快速繁殖
(1)概念：用于快速繁殖优良品种的 技术，也叫作 繁殖技术。
(2)优点：高效、快速地实现种苗的 ；保持优良品种的 。
2．作物脱毒
(1)选材
①部位：植物顶端 附近(如茎尖)。
②原因：病毒 ，甚至无病毒。
(2)优点：提高作物的产量和 。
植物组织培养
微型
大量繁殖
遗传特性
分生区
极少
品质
二、作物新品种的培育
1．单倍体育种
(1)原理：细胞的 和 。
(2)过程：花药(或花粉) 植株 二倍体植株
优良品种。
(3)优点
①极大地缩短了 ，节约了大量的人力和物力。
②是进行 育种和研究 的理想材料。
全能性
染色体变异
育种的年限
体细胞诱变
遗传突变
单倍体
纯合
2．突变体的利用
(1)原理：在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，因此它们容易受到 和诱变因素(如 、化学物质等)的影响而产生突变。
(2)利用：筛选出对人们有用的 ，进而培育成新品种。
培养条件
射线
突变体
三、细胞产物的工厂化生产
1．次生代谢物
(1)定义：植物代谢产生的，一般认为不是植物基本生命活动所 的产物。
(2)本质： 有机化合物，如酚类、萜类和含氮化合物等。
(3)作用：在植物 等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。
2．技术：植物细胞培养，指在离体条件下对 或 进行培养使其增殖的技术。
小分子
必需
抗病、抗虫
单个植物细胞
细胞团
3．实例：人参、三七、紫草和红豆杉的细胞产物都已实现工厂化生产。
4．优势：不占用 ，几乎不受季节、 等的限制，因此对于社会、 、环境保护具有重要意义。
耕地
天气
经济
◆名师点睛
1．单倍体育种的流程不仅包括花药(花粉)离体培养，还包括人工诱导染色体加倍，所以单倍体育种得到的一般是纯合的二倍体植株，而不是单倍体植株。
2．细胞产物的工厂化生产往往需要将植物组织培养进行到愈伤组织阶段，然后对愈伤组织细胞进行悬浮培养。
◆基础速判(对的画“√”，错的画“×”)
1．快速繁殖不仅可以高效、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。(　　　　)
2．脱毒草莓能明显提高产量，但品质没有发生变化。(　　　　)
3．作物脱毒所培养的材料常选自顶端分生组织。(　　　　)
4．快速繁殖本质上是一种无性繁殖。(　　　　)
5．单倍体育种的过程就是花药离体培养的过程。(　　　　)
6．突变体育种常用射线、化学物质处理愈伤组织。(　　　　)
7．植物细胞培养利用了植物细胞的全能性。(　　　　)
×
√
√
√
√
×
×
◆思维启迪
脱毒苗是否具有抗病毒特性？为什么？
提示：不具有。脱毒苗只是不含有病毒，遗传性状没有改变，仍可能感染病毒。
任务一 植物繁殖的新途径
植物细胞工程在农业、医药工业等方面有着广泛的应用，并且取得了显著的社会效益和经济效益。如图为植物细胞工程的应用实例。
[问题探究]
1．植物组织培养可以进行快速繁殖的原因有哪些？
答案：植物组织培养到愈伤组织的阶段，细胞进行有丝分裂，细胞分裂速度较快，从而可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；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．快速繁殖属于什么生殖方式？为什么？
答案：快速繁殖属于无性生殖。快速繁殖只运用了植物组织培养技术，该过程没有涉及两性生殖细胞的结合，因而属于无性生殖。
3．作物培养过程中为什么要进行作物脱毒？如何进行作物脱毒？
答案：对于无性繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传给后代，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。植物顶端分生区附近的病毒极少，甚至无病毒，因此切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。
1．快速繁殖(也称微型繁殖)
实质 植物组织培养
原理 植物细胞的全能性
优点 ①能保持亲本的遗传特性，子代个体的遗传物质与亲本相同；
②使用材料少，培养周期短，繁殖率高；
③不受自然生长季节的限制，便于自动化管理，有利于进行工厂化生产
提醒：快速繁殖实际上是一种无性繁殖。繁殖过程中的分裂方式是有丝分裂，亲、子代细胞内的遗传物质相同，所以能够保证亲、子代性状相同。
2．作物脱毒
进行作物
脱毒的原因 长期进行无性繁殖的作物(如马铃薯和草莓)，它们感染的病毒很容易传给后代。病毒在作物体内逐年积累，从而导致作物产量降低，品质变差
材料的选取 在植物顶端分生区附近(如茎尖)的代谢十分旺盛、细胞分裂速度快，病毒极少，甚至无病毒。因此，利用植物的分生组织进行组织培养，再生的植株可能不带病毒，从而获得脱毒苗。用脱毒苗进行繁殖，种植的作物就有可能不带病毒
D
1．(2025·洛阳高二期中)百合具有很高的药用价值，但其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，操作流程如图所示。下列叙述错误的是 (　　)
A．过程①为脱分化，1号培养基中的愈伤组织是无特定结构和功能的薄壁组织团块
B．过程②为再分化，培养时需要给予适宜时长和强度的光照促进叶绿素的形成
C．2号培养基用于诱导生芽，其细胞分裂素浓度与生长素浓度的比值大于1
D．3号培养基中获得的试管苗具有抗病毒特性，其他性状和亲本基本相同
解析：
在过程①脱分化过程中，1号培养基中的愈伤组织是排列不规则的薄壁组织团块，A正确；2号培养基为发芽培养基，叶绿素的形成需要光，因此过程②愈伤组织再分化为芽的过程需要光照，B正确；细胞分裂素浓度与生长素浓度的比值大于1时有利于生芽，C正确；脱毒苗的制备过程不改变原有外植体的遗传物质，为无性繁殖，因此不会具有抗病毒特性，只是植株的病毒含量少或没有病毒，D错误。
A
2．为给工厂繁殖脱毒甘薯苗提供技术上的支持，科研人员利用植物组织培养技术研究甘薯茎尖(外植体)大小对诱导分化苗和脱毒苗的影响，结果如下表所示。下列相关叙述正确的是 (　　)
茎尖大小/mm 外植体数/个 分化苗数/株 脱毒苗数/株
小于0.3 20 1 1
0.3～0.5 20 10 7
大于0.5 20 13 4
A.在不同的培养阶段，培养基中的激素浓度和比例不同
B．脱分化过程中应给予充足光照使其进行光合作用
C．培育脱毒苗时依据的原理有基因突变和细胞的全能性
D．0.3～0.5 mm大小的茎尖最有利于获得抗病毒特性的植株
解析：
在不同的培养阶段，对主要营养物质和激素的需求不同，培养基中的激素浓度和比例则不同，生长素和细胞分裂素的比值高有利于根的分化，比值低有利于芽的分化，A正确；脱分化过程中没有叶绿体，不能进行光合作用，不需要光照，B错误；培育脱毒苗时依据的原理是植物细胞的全能性，C错误；0.3～0.5 mm大小的茎尖最有利于获得无病毒特性的植株，D错误。
任务二 作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产
下图表示作物新品种的培育中突变体的利用过程。
[问题探究]
1．突变体育种与单倍体育种的原理分别是什么？
答案：突变体育种的原理是基因突变和植物细胞的全能性；单倍体育种的原理是植物细胞的全能性和染色体变异。
2．单倍体育种为什么能为体细胞诱变育种和研究遗传突变提供理想材料？
答案：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。
3．为什么用物理或化学因素处理愈伤组织更容易诱导突变？产生的变异一定符合需要吗？
答案：因为愈伤组织细胞处在不断分裂过程中，细胞要进行DNA分子复制，因此更易受到诱变因素的影响而发生突变。由于突变是不定向的，产生的变异不一定符合需要。
1．两种育种方法的比较
育种方法 原理 过程 优点
单倍体育种 细胞的全能性、染色体变异 花药离体培养、秋水仙素诱导染色体数目加倍 明显缩短育种年限
突变体育种 基因突变、细胞的全能性 对愈伤组织进行诱变处理后再筛选 提高突变频率，获得优良性状
提醒：花药(花粉)离体培养是以花药(花粉)作为外植体的植物组织培养，从技术层面上看，它是一种无性繁殖(组织培养)，从生殖方式来看，却是一种有性生殖(单性生殖)。
2．植物组织培养与植物细胞培养的比较
项目 植物组织培养 植物细胞培养
目的 获得植物体 获得细胞的次生代谢物
过程
实例 快速繁殖、作物脱毒 人参皂苷的生产
D
1．(2025·广州高二检测)辣椒素作为一种生物碱广泛用于食品保健、医药工业等领域。辣椒素的获得途径如下图。下列说法正确的是 (　　)
A．①过程受外源激素的调控，②过程受内源激素的调控
B．实现①过程的条件是外植体细胞发生基因突变
C．获得脱毒苗常用的外植体是成熟的根和茎，脱毒苗具有更强的抗病毒能力
D．辣椒素是次生代谢物，可通过细胞培养实现工厂化生产
解析：
在进行植物组织培养时，需要在培养基中添加适当比例的生长素和细胞分裂素诱导细胞的脱分化和再分化，因此①和②都会受到外源激素的调控，A错误；①表示脱分化，实现①过程的条件是外植体细胞的基因发生了选择性表达，而不是基因突变，B错误；分生组织的病毒极少，甚至没有病毒，故将分生组织(如根尖、茎尖)进行离体培养可以获得脱毒植株，并非成熟的根和茎，并且脱毒苗也不一定具有更强的抗病毒能力，C错误；植物代谢会产生一些一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物——次生代谢物，由图可知辣椒素是次生代谢物，可通过细胞培养实现工厂化生产，D正确。
D
2．(2024·宁夏高二检测)通过植物细胞工程对光果甘草进行培养以获得药物甘草西定，过程如图所示。下列相关叙述正确的是 (　　)
A.过程③通常先在生长素与细胞分裂素比值高的培养基中培养
B．过程④常用射线或化学物质处理即可获得大量所需的突变体植株丙
C．所得三种植株中，乙和丙的遗传信息与甲相同，植株丁和甲是同一物种
D．过程⑥中甘草西定可通过植物细胞培养获得，应将愈伤组织细胞悬浮培养
解析：
生长素与细胞分裂素的比值高时，利于生根，比值低时利于生芽，过程③需先生芽，再生根，所以需要先在生长素与细胞分裂素比值低的培养基中培养，A错误。过程④常用射线或化学物质处理愈伤组织，经筛选，并进一步培养才能获得大量所需的突变体植株丙，B错误。所得三种植株中，乙和丙的遗传信息不一定与甲相同，因为植株丙是诱变育种得到的，遗传信息可能会发生改变；植株丁经过了植物体细胞杂交，染色体数目发生了改变，和甲不一致，所以不是同一物种，C错误。过程⑥中甘草西定可通过植物细胞培养获得，应将愈伤组织细胞悬浮培养，D正确。
提取紫杉醇——科学探究与社会责任
紫杉醇是存在于红豆杉细胞中的一种高效抗癌物质，在植物体中含量极低。为取代从天然植株中提取紫杉醇的方式，可通过植物组织培养和植物细胞培养技术来获取，其过程为获取红豆杉外植体→消毒→诱导愈伤组织→细胞培养→提取紫杉醇。
设计1：考查实验分析能力
(1)获取的外植体首先要通过________过程培养出愈伤组织。如表为四种不同外植体在相同培养条件下诱导愈伤组织的实验结果，由表中结果可知诱导愈伤组织较适宜的两种外植体分别是__________________。
外植体 愈伤组织体积 诱导率/%
不带叶茎段 很大 99.5
带叶茎段 很小 90
叶片 很小 20
成熟胚 较大 80
注：诱导率/%＝形成的愈伤组织数量/接种的外植体数量×100%。
设计2：考查原因分析与长句表达能力
(2)将愈伤组织接种到适宜培养液中进行细胞培养，细胞培养的过程________(填“体现”或“未体现”)细胞的全能性，理由是 。据下图分析，2，4-D对细胞生长和紫杉醇合成的作用分别是_________________________，为获得最大紫杉醇总产量，最适合的2，4-D浓度应为__________(填“0.5”“1.0”或“2.0”)mg·L-1。
设计3：考查长句表达能力和社会责任
(3)与从天然植株中提取相比，利用上述技术生产紫杉醇的重要意义是 (答出两点)。
答案：(1)脱分化　不带叶茎段、成熟胚
(2)未体现　此过程中细胞没有分化成各种细胞，也没有发育成完整植株　促进细胞生长，抑制紫杉醇合成　1.0
(3)提高了紫杉醇的产量，保护了红豆杉资源
解析：
(1)外植体脱分化可培育出愈伤组织。由表中结果可知，诱导愈伤组织较适宜的两种外植体应该是形成愈伤组织体积较大，且诱导率较高的不带叶茎段和成熟胚。(2)将愈伤组织接种到适宜培养液中进行细胞培养，未产生完整的生物个体或分化成其他各种细胞，因此，未体现细胞的全能性。根据题图分析可知，2，4-D促进细胞生长，抑制紫杉醇的合成，为获得最大紫杉醇总产量，最适合的2，4-D浓度应为1.0 mg·L-1。(3)若从天然植株中提取紫杉醇，会破坏红豆杉树木，若用植物组织培养技术，在短时间内就能培育出大量的愈伤组织，经过细胞培养，可以获取大量的紫杉醇，故利用上述技术生产紫杉醇的重要意义是提高了紫杉醇的产量，保护了红豆杉资源。
C
1．植物细胞工程在农业、医药工业等方面有着广泛的应用，并取得了显著的社会效益和经济效益。下列关于植物细胞工程的应用的叙述，错误的是 (　　)
选项 应用技术 原理或取材原因 优势
A 快速繁殖 植物细胞的全能性 繁殖快、保持亲
本遗传特性
B 作物脱毒 植物顶端分生区几乎不含病毒 提高作物的产量和品质
选项 应用技术 原理或取材原因 优势
C 突变体的利用　　 为适应培养条件发生新的突变 获得自然界没有的新物种
D 生产细胞产物　　 细胞可产生多种次生代谢产物 不受季节、天气等限制
解析：
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，微型繁殖技术可以使作物保持优良品种的遗传特性，可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖，A正确；利用植物组织培养技术培育脱毒苗可以提高作物的产量和品质，B正确；突变只是为生物进化提供原材料，不一定产生新物种，同时突变是不定向的，不能为适应条件发生定向突变，C错误；细胞的工厂化生产利用的是细胞次生代谢产物的产生，不受季节、天气等限制，D正确。
C
2．(2025·郑州高二检测)利用“细胞农业”技术(即通过细胞扩大培养形成产物)，成功培育出“人造茶叶”，其含有茶多酚、咖啡碱等植物基本生命活动的非必需物质，与普通茶叶在口感和成分上极为相似。下列叙述错误的是 (　　)
A．利用“细胞农业”技术培育“人造茶叶”时，没有体现植物细胞的全能性
B．通过“细胞农业”获得植物产品，能够避免农药残留对人体健康的潜在危害
C．“人造茶叶”生产过程中若采用固体培养基培养，相比液体培养基更有利于提高产量
D.“人造茶叶”中的茶多酚与咖啡碱属于植物细胞的次生代谢物
解析：
“细胞农业”技术培育“人造茶叶”主要是通过细胞扩大培养形成产物，并非培育完整植株，没有体现植物细胞的全能性，A正确；传统茶叶种植可能会使用农药，而“细胞农业”在相对可控的环境下生产，能避免农药残留对人体健康的潜在危害，B正确；液体培养基能让细胞与营养物质接触更充分，相比固体培养基更有利于细胞生长和代谢物积累，更有利于提高产量，C错误；茶多酚与咖啡碱不是植物生长发育所必需的物质，属于植物细胞的次生代谢物，D正确。
D
3．(2025·石家庄高二检测)中药材贡菊含有多种活性物质，具有清肝明目、驱邪降火等功效，适合口干、火旺、目涩的人群。为获得更多该中药材，可采用生物相关工程技术对贡菊进行脱毒和快速繁殖。下列叙述正确的是 (　　)
A．利用贡菊的茎段作为外植体，通过植物组织培养可获得脱毒苗
B．贡菊中含有的绿原酸、菊内酯等次生代谢物通常是贡菊基本生命活动所必需的
C．操作过程中，贡菊幼胚细胞和培养基都需要经过严格的灭菌处理
D．在接种外植体之前，需先后用酒精和次氯酸钠溶液对其进行消毒
解析：
茎尖中的病毒极少，甚至无病毒，故利用贡菊的茎尖作为外植体来获得脱毒苗，A错误；贡菊中含有的初生代谢物通常才是贡菊基本生命活动所必需的，B错误；贡菊幼胚细胞不需要经过严格的灭菌处理，C错误；在接种外植体之前，需先后用酒精和次氯酸钠溶液对其进行消毒，消毒流程为先将流水充分冲洗后的外植体用酒精消毒30 s，然后立即用无菌水清洗2～3次，再用次氯酸钠溶液处理30 min后，立即用无菌水清洗2～3次，D正确。
D
4．(2024·聊城高二检测)“白雪公主”草莓具有广阔的市场前景和较高的经济价值。草莓是无性繁殖的植物，它感染的病毒很容易传播给后代。病毒在草莓体内逐年积累，会导致产量降低，品质变差。下图是育种工作者选育高品质“白雪公主”草莓流程图。下列说法错误的是 (　　)
A．通常采用70%的酒精和5%的次氯酸钠溶液对甲进行消毒处理
B．甲常选用茎尖，原因是该处的病毒极少甚至没有病毒
C．在植物组织培养过程中，经过筛选可能获得对人们有用的突变体
D．通过植物组织培养技术得到抗病毒的草莓脱毒苗
解析：
对外植体的消毒通常采用体积分数为70%的酒精和质量分数为5%的次氯酸钠溶液，消毒后需用无菌水进行冲洗，A正确；茎尖的病毒极少甚至没有病毒，所以常用茎尖作为外植体，B正确；在植物组织培养过程中，愈伤组织容易发生突变，经过筛选可能获得对人们有用的突变体，C正确；通过植物组织培养技术得到草莓脱毒苗，但是不抗病毒，D错误。
5．(2025·石嘴山高二期中)如图中亲本植株的基因型为Aa(体细胞染色体数为2n)，A、B、C、D表示以亲本植株为材料进行的四种人工繁殖过程，请据图回答下列问题：
(1)四种人工繁殖过程都能获得子代植株，其原理是__________________。
(2)通过A途径育种获得的纯合二倍体植株的基因型是________，其育种特点是________________________________________________________
______________________________________________________________。
(3)植物细胞获得具有活力的原生质体需要用____________处理，过程②表示将该植物的两个原生质体进行融合，融合前需用化学试剂______________进行诱导，融合成杂种细胞的标志是____________；杂种细胞再经______________两个过程发育成完整植株。
(4)与其他育种方式相比，通过D过程获得子代植株的优点是__________
_______________。
(5)该植物根富含单宁，单宁不是其生长和生存所必需的产物，属于____________(填“初生”或“次生”)代谢物。
答案：(1)植物细胞具有全能性
(2)AA、aa　快速获得纯合子，缩短育种年限；排除显隐性干扰，便于选择优良性状
(3)纤维素酶和果胶酶　PEG(聚乙二醇)　再生出细胞壁　脱分化和再分化
(4)可克服远缘杂交不亲和的障碍，打破生殖隔离，实现远缘杂交
(5)次生
解析：
(1)图中四种人工繁殖过程都能获得子代植株是因为具有某种生物全套遗传信息的任何一个细胞都具有发育成完整生物体的潜能，也就是说植物细胞具有全能性。(2)A途径育种方法为单倍体育种，即利用花药离体培养等技术得到单倍体植株，再通过秋水仙素使染色体加倍，所以其育种特点是快速获得纯合体，缩短育种年限；排除显隐性干扰，便于选择优良性状。故通过A途径育种获得的纯合二倍体植株的基因型是AA、aa。(3)细胞壁的组成成分是纤维素和果胶，可先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁获得具有活性的原生质体。过程②表示将该
解析：
植物的两个原生质体进行融合，促进原生质体融合的方法包括物理、化学的方法，通常化学法一般是用PEG(聚乙二醇)作为诱导剂来诱导细胞融合。杂种细胞形成的标志是再生出细胞壁；融合后得到的杂种细胞再经脱分化(由高度分化的细胞形成愈伤组织)、再分化(愈伤组织在一定条件下分化形成根、芽等器官)两个过程发育成完整植株。(4)据题图分析可知，D育种方法是植物体细胞杂交，植物体细胞杂交的突出优点是克服远缘杂交不亲和的障碍，打破生殖隔离，实现远缘杂交。(5)单宁是该植物细胞培养过程中产生的次生代谢物，不是该植物细胞生长和生存所必需的，可利用植物细胞培养技术工厂化生产单宁。

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