資源簡介

2.1.2 植物細胞工程的應用的學案
【學習目標】
1.說明植物細胞工程在植物繁殖方面的應用。
2．列舉植物細胞工程在作物新品種培育方面的應用。
3．概述細胞產物的工廠化生產的原理。
【學習重難點】
1．簡述微型繁殖技術。(重點)
2．理解掌握利用植物組織培養的技術培養脫毒苗和人工種子。(重、難點)
3．理解植物組織培養技術在細胞產物的工廠化生產領域的應用。(重點)
【預習新知】
植物繁殖的新途徑
1．快速繁殖
(1)概念：用于快速繁殖優良品種的____________技術，也叫作________技術。
(2)特點
①高效、快速地實現種苗的________。
②無性繁殖，保持優良品種的________。
③可實現工廠化________生產。
2．作物脫毒
(1)選材部位：植物頂端____________。
(2)選材原因：植物頂端____________(如莖尖)的病毒極少，甚至________。
(3)實例：目前采用________培養技術來脫去病毒，已在________、草莓、大蒜、甘蔗、菠蘿和香蕉等許多作物上獲得成功。
答案：
1．(1)植物組織培養　微型繁殖
(2)①大量繁殖　②遺傳特性　③規模
2．(1)分生區附近
(2)分生區附近　無病毒
(3)莖尖組織　馬鈴薯
作物新品種的培育
1．單倍體育種
(1)原理：細胞的全能性和染色體變異。
(2)過程：花藥單倍體植株穩定遺傳的優良品種。
(3)優點
①子代是能穩定遺傳的純合子。
②明顯縮短育種年限。
2．突變體的利用
(1)原理
①基因突變(用射線或誘變劑處理分生細胞，主要是指愈傷組織細胞)。
②植物細胞的全能性(由突變細胞培育得到突變體植株)。
(2)過程
(3)利用：篩選出有用的突變體，培育新品種。如培育抗病、抗鹽、含高蛋白、高產的新品種植物。
(4)實例：抗花葉病毒的甘蔗、抗鹽堿的野生煙草、抗除草劑的白三葉草等。
細胞產物的工廠化生產
1．概念：由于植物細胞的次生代謝物含量很____，從植物組織提取會大量破壞植物資源，有些產物又不能或難以通過化學合成途徑得到，因此人們期望利用____________來獲得目標產物，這個過程就是細胞產物的工廠化生產。植物細胞培養是指在離體條件下對____________或________進行培養使其增殖的技術。
2．次生代謝物
(1)概念：植物代謝產生的一些一般認為________植物基本的生命活動所必需的產物，是一類________________(如酚類、萜類和含氮化合物等)。
(2)作用：在植物____________等方面發揮作用，也是很多________、________和________等的重要來源。
3．生產技術手段：______________技術。
4．優點：不占用________，幾乎不受________、天氣等的限制，因此對于社會、經濟、環境保護具有重要意義。
5．實例：利用紫草細胞的組織培養生產的________具有抗菌、消炎和抗腫瘤等活性。利用紅豆杉細胞的組織培養生產的________具有高抗癌活性。
答案：
1．低　植物細胞培養　單個植物細胞　細胞團
2．(1)不是　小分子有機化合物　(2)抗病、抗蟲　藥物　香料　色素
3．植物組織培養
4．耕地　季節
5．紫草寧　紫杉醇
【易錯提示】
植物組織培養和植物細胞培養的比較
比較 項目 植物組織培養 植物細胞培養
目的 獲得植物體 獲得細胞產物
原理 植物細胞的全能性 細胞增殖
過程
應用 快速繁殖、作物脫毒、單倍體育種等 細胞產物的工廠化生產，如紫草寧、人參皂苷、紫杉醇等
【深化探究】
探究一：植物繁殖的新途徑
1．葡萄的扦插、桃樹的嫁接、石榴的壓條繁殖方式都屬于微型繁殖。( )
2．脫毒苗培育所選的組織培養材料可以來自植株的任何部位。( )
例1：某株名貴花卉用種子繁殖會發生性狀分離。為了防止性狀分離并快速繁殖，可以利用該植株的一部分器官或組織進行離體培養，發育出完整的植株。進行離體培養時不應采用該植株的(　　)
A．莖尖 　　　B．子房壁 C．葉片 D．花粉粒
例2：為給工廠化繁殖脫毒甘薯苗提供技術上的支持，科研人員利用植物組織培養技術研究甘薯莖尖(外植體)大小對誘導分化苗和脫毒苗的影響，結果如表所示，下列相關敘述正確的是(　　)
莖尖大小 外植體數/個 分化苗數/苗 脫毒苗數/苗
小于0.3 mm 20 1 1
0.3～0.5 mm 20 10 7
大于0.6 mm 20 13 4
A.在不同的培養階段，培養基中生長素和細胞分裂素的比例不同
B．脫分化過程中應給予充足光照使其進行光合作用
C．培育脫毒苗時依據的原理有基因突變和細胞的全能性
D．0.3～0.5 mm大小的莖尖最有利于獲得抗病毒的特性
探究二、作物新品種的培養和細胞產物的工廠化生產
1．單倍體育種
(1)原理：整個單倍體育種過程的原理是染色體變異，其中花藥離體培養利用了 的全能性。
(2)過程：
(3)優點：明顯 育種年限，后代不發生性狀分離。
思考1：花藥離體培養獲得的單倍體幼苗如何誘導染色體加倍？原理是什么？
2．突變體的利用
(1)原理： 和植物細胞的全能性。
(2)過程： 誘變處理 誘導分化
(3)優點：提高愈傷組織的 ，可以獲得高抗、高產、優質、抗逆的新品種，加快育種進程。
思考2：為什么用物理或化學因素處理愈傷組織更易誘發突變？產生的變異一定符合需要嗎？
3．細胞產物的工廠化生產
例3：完成下列判斷：
（1）突變體培育通常對植物的愈傷組織進行誘變處理，而工廠化生產的細胞產物也來自愈傷組織細胞。( )
（2）工廠化生產的細胞次生代謝物，其化學成分都是蛋白質。( )
例4：馬鈴薯、草莓等都是無性生殖的作物，它們感染的病毒容易傳給后代，最終導致作物產量降低，品質變差。如圖是利用草莓外植體（即離體的器官、組織或細胞）經植物組織培養技術培育脫毒草莓苗的過程。據圖回答下列問題：
（1）植物組織培養就是在 　 　 條件下，將離體的植物器官、組織、細胞，培養在人工配制的培養基上，給予適宜的培養條件，誘導其產生愈傷組織、叢芽，最終形成完整的植株。外植體能夠形成脫毒苗所依據的原理是 　 　 ；圖中①、②過程分別是 　 　。
（2）切取草莓的一定大小的莖尖作為外植體進行組織培養，再生的植株就有可能不帶病毒，原因是 　 　。
（3）圖中①②③階段細胞的分裂方式是 　 　，②③階段除了細胞分裂外，還進行細胞的 　 　等。
（4）植物組織培養技術還廣泛用于細胞產物的工廠化生產，如從紅豆杉樹皮中分離出高抗癌活性的紫杉醇。請依據所學知識寫出生產過程圖：　 　 （用文字和箭頭表示）。
【鞏固訓練】
1.下圖表示用草木樨狀黃芪（2n=32）和木本霸王（2n=22）培育抗鹽新品種的過程。下列敘述正確的是( )
A.過程①需要使用相應酶破壞細胞膜以利于②過程進行
B.滅活病毒不能誘導過程②中A和B的融合
C.過程②處理后得到的兩兩融合原生質體類型可能有3種
D.經過過程④所得到的愈傷組織細胞中一般含有四個染色體組
2.香蕉含有可轉化為5-羥色胺的色氨酸,也富含鉀和鈉等礦物質。人們目前所食用的香蕉多來自三倍體香蕉植株,三倍體香蕉的培育過程如圖所示。下列敘述錯誤的是( )
A.食用香蕉有助于穩定細胞外液滲透壓和調節情緒
B.過程①可用秋水仙素處理野生芭蕉萌發的種子
C.過程②雜交產生的無子香蕉含有3個染色體組
D.無子香蕉能通過自交將優良性狀遺傳給子代
3.《本草綱目》記載，櫻桃具有利脾、止瀉的功效。櫻桃中的槲皮素等酚類化合物具有抗氧化活性。我國已經利用組織培養技術繁育櫻桃優良品種，滿足人們食用和藥用需要。下列敘述錯誤的是( )
A.應用微型繁殖技術可獲得大量櫻桃脫毒苗
B.可以選用櫻桃幼嫩的芽原基和葉原基作外植體
C.富含色氨酸的培養基有利于櫻桃幼嫩的芽合成生長素
D.應用櫻桃細胞培養可工廠化生產初生代謝產物槲皮素
4.青蒿素是很好的抗瘧疾藥物，但在植物中含量較低。下圖為組織培養獲得含青蒿素較高的青蒿根的基本流程，相關敘述錯誤的是( )
A.用體積分數為70%的酒精溶液等試劑來處理外植體
B.步驟③加入抗生素可以殺死發根農桿菌及其他細菌
C.從愈傷組織中提取不到青蒿素的原因可能是其不含相關基因
D.步驟④中細胞分裂素用量與生長素用量的比值應小于1
5.人參皂苷和丹參皂苷都能增強機體的抵抗力及調節能力，但二者又各自具有特定功能。人參和丹參均是二倍體，人參皂苷和丹參皂苷都是在一定的環境和時間條件下才能合成的。某科學工作者欲利用植物體細胞雜交技術培育出人參丹參雜種植株，希望能夠產生人參皂苷和丹參皂苷。下列敘述正確的是( )
A.置于含纖維素酶和果膠酶的清水中去除人參和丹參的細胞壁
B.雜種細胞經生長素和赤霉素的誘導脫分化為人參丹參雜種植株
C.人參皂苷和丹參皂苷是雜種植株基本的生命活動所必需的次生代謝物
D.植物體細胞雜交的突出優點是能打破生殖隔離而實現遠緣雜交育種
6.紅豆杉是我國一級珍稀保護樹種。紫杉醇是紅豆杉細胞中產生的一種高效抗癌物質，在植物體中含量極低。為取代從天然植株中提取紫杉醇的方式，可通過植物組織培養和細胞培養技術來獲取，其過程為：獲取紅豆杉外植體→消毒→誘導愈傷組織→細胞培養→提取紫杉醇。
請回答：
（1）在植物組織培養過程中，用到的基礎培養基為___________培養基，培養基需進行嚴格的___________處理。獲取的外植體消毒后誘導出愈傷組織的過程稱為____________，此過程通常____________（“需要”或“不需要”）光照。
（2）將愈傷組織接種到適宜培養基中進行細胞懸浮培養，所用的培養基從物理性質上來看屬于__________培養基。該細胞培養的過程__________（“體現”或“未體現”）細胞的全能性，理由是____________。
（3）利用愈傷組織，還可以繼續誘導其發芽，繼而生根，最終培育得到紅豆杉幼苗，該過程為______________途徑，誘導發芽和生根時需要調整培養基中___________的比例。
（4）在紅豆杉組織培養中，多酚氧化酶能催化酚類物質氧化為醌，進而導致愈傷組織褐化，可考慮在培養基中加入相關物質以__________達到抗氧化、減輕褐化的目的。
（5）與從天然植株中提取相比，利用上述技術生產紫杉醇的重要意義是：①___________；②_____________________（答出兩點）。
參考答案
1.答案：BCD
解析：B、人工誘導原生質體融合的方法基本可以分為兩大類一物理法和化學法。物理法包括電融合法、離心法等;化學法包括聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2+一高pH融合法等,B正確;C、過程②處理后得到的兩兩融合原生質體類型可能有3種,分別是黃芪-黃芪、木本霸王-木本霸王、木本霸王-黃芪類型,C正確;D、該題中的兩個植物細胞,各有兩個染色體組,并且兩個植物細胞體內的染色體組不相問,故兩細胞融合形成的細胞內含四個染色體組,D正確。
2.答案：D
解析：A、香蕉有可轉化為5-色胺的色氨酸，也富含鉀和鈉等礦物質，食用香蕉有助于穩定細胞外液滲透壓和調節情緒，A正確;
B、秋水仙素能夠抑制紡錘體的形成，導致染色體不能移向細胞的兩極，從而引起細胞內染色體數目加倍。過程①是誘導二倍體野生芭蕉形成四倍體有子香蕉，可用秋水仙素處理野生芭蕉萌發的種子，B正確;
C、過程②四倍體有子香蕉，與二倍體野生芭蕉雜交，獲得三倍體無子香蕉，含有3個染色體組，C正確;
D、無子香蕉含有3個染色體組，一般不能產生可育的配子，不能進行有性生殖，通過營養繁殖將優良性狀遺傳給子代，D錯誤。
3.答案：D
解析：A、植物微型繁殖技術具有高效、快速的特點，因此可以利用該技術獲得大量櫻桃脫毒苗，A正確； B、植物微型繁殖技術中，一般選用植物幼嫩的芽原基和葉原基作外植體，B正確； C、色氨酸是合成生長素的原料，因此含色氨酸的培養基有利于櫻桃幼嫩的芽合成生長素， C正確； D、櫻桃細胞培養可工廠化生產次生代謝產物槲皮素，D錯誤。故選D。
4.答案：C
解析：A、植物組織培養建立無菌體系時，需要用到體積分數70%的酒精溶液對外植體進行消毒，A正確;B、為避免雜菌污染，植物組織培養過程需要無菌操作，步驟③青蒿葉片組織加入抗生素的作用是殺死發根農桿菌及其它細菌(或殺菌)，B正確;C、同一植株的所有細胞基因都相同，愈傷組織中提取不到青蒿素的原因是因為相關基因沒有在愈傷組織表達，C錯誤;D、④是分化出根的過程，該過程中細胞分裂素用量與生長素用量的比值應小于1，D正確。故選C。
5.答案：D
解析：A、置于含纖維素酶和果膠酶的等滲溶液中去除人參和丹參的細胞壁，保證原生質體的完整性，A錯誤；B、雜種細胞經生長素和赤霉素的誘導，先脫分化為愈傷組織，再分化為人參丹參雜種植株，B錯誤；C、次生代謝產物是一類細胞生命活動或植物生長發育正常運行的非必需小分子有機化合物，故人參皂苷和丹參皂苷不是雜種植株基本的生命活動所必需，C錯誤；D、植物體細胞雜交的突出優點是能克服不同生物遠緣雜交不親和障礙，D正確。故選D。
6.答案：（1）MS;滅菌;脫分化（或去分化）;不需要
（2）液體;未體現;沒有將植物細胞培養成植株體/沒有培育出完整的植株（合理即可）
（3）器官發生;生長素和細胞分裂素/植物激素/植物生長調節劑/NAA和6-BA
（4）抑制多酚氧化酶活性/去除酚類物質/將產物還原為原來的物質/與酚類物質競爭多酚氧化酶（合理即可）
（5）提高了紫杉醇的產量；保護了紅豆杉（合理即可）

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