資源簡介

第1節 植物細胞工程
第2課時　植物細胞工程的應用
【學習目標】
1.基于生產和生活需要,通過查閱相關資料,設計并實施恰當可行的實驗方案。(科學探究)
2.列舉植物組織培養技術在生產實踐中的應用,說明植物細胞工程對生產的影響。(社會責任)
【自主預習】
一、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　植物組織培養　技術,也叫作微型繁殖技術。
(2)特點
a.　無性　繁殖,保持優良品種的遺傳特性
b.高效、快速地實現種苗的　大量繁殖　
c.可實現工廠化生產
2.作物脫毒
(1)選材部位:植物頂端　分生區　附近。因為此處細胞內的病毒極少,甚至無病毒。
(2)優點:提高作物的產量和品質。
二、作物新品種的培育
1.單倍體育種
(1)方法:　花藥(或花粉)離體培養　。
(2)過程:花藥(或花粉)單倍體植株
純合子植株。
(3)優點:能培育出遺傳性狀相對穩定的純合二倍體植株;縮短了育種的年限,節約了大量的人力和物力;染色體加倍后得到的植株可作為體細胞誘變育種和研究遺傳突變的理想材料。
2.突變體的利用
(1)原理:　基因突變　或染色體變異。
(2)產生原因:在植物的組織培養過程中,由于培養細胞一直處于不斷　增殖　的狀態,因此它們容易受到培養條件和誘變因素(如射線、化學物質等)的影響而產生突變。
(3)結果:可以從產生突變的個體中篩選出對人們　有用的突變體　,進而培育成新品種。
三、細胞產物的工廠化生產
1.次生代謝物
(1)定義:不是植物基本的生命活動所必需的產物。
(2)種類:　小分子　有機化合物,如酚類、萜類和含氮化合物等。
(3)作用:在植物抗病、抗蟲等方面發揮重要作用,也是很多藥物、香料和色素等的重要來源。
2.方法:對　單個植物細胞或細胞團　進行培養使其增殖。
3.優勢:不占用耕地,幾乎不受季節、天氣等的限制,對于社會、經濟、環境保護具有重要意義。
4.應用:紫杉醇、紫草寧、人參皂苷等的生產。
【合作探究】
任務1　植物細胞工程的應用
活動1　植物繁殖的新途徑
植物細胞工程作為一門新興的生物技術,已經普遍應用于社會生產的方方面面。下圖都利用了植物組織培養,觀察并回答問題:
1.草莓培育過程中為什么要進行脫毒 如何培育草莓的脫毒幼苗
提示　對于草莓等通常用無性繁殖的方式進行繁殖的作物,它們感染的病毒很容易傳給后代,病毒在作物體內逐年積累,就會導致作物產量降低,品質變差。植物頂端分生區附近的病毒極少,甚至無病毒,因此切取一定大小的草莓植株的莖尖進行組織培養,再生的植株就有可能不帶病毒,從而獲得草莓的脫毒幼苗。
2.像馬鈴薯、草莓和香蕉等作物脫毒后產量和品質明顯提高,為什么小麥和玉米等脫毒后產量卻基本沒有變化
提示　馬鈴薯、草莓和香蕉通常進行無性繁殖,感染的病毒很容易傳給后代,而小麥和玉米是通過種子繁殖的,感染的病毒不容易傳遞給子代。
3.利用快速繁殖技術培育草莓植株時,為什么用誘變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
提示　愈傷組織細胞處在分裂過程中,要進行DNA分子的復制,因此更易發生突變。由于突變具有不定向的特點,因此產生的變異不一定符合需要。
4.快速繁殖技術有哪些優點
提示　①高效、快速地實現種苗的大量繁殖,還可以保持優良品種的遺傳特性;②使用材料少,培養周期短,繁殖率高;③不受季節、氣候、自然災害等因素的影響;④便于自動化管理,可實現工廠化生產。
認知生成
途徑 原理 優點 實例
快速 繁殖 利用體細胞進行無性繁殖 ①保持優良品種的遺傳特性; ②高效、快速地實現種苗的大量繁殖 快速繁殖蘭花
作物 脫毒 用植物頂端分生區附近的細胞進行組織培養,再生的植株可能不含病毒 提高作物產量和品質 脫毒馬鈴薯的培育
例1　(2022·濱州期末)馬鈴薯野生種具有抗病、抗逆等優良性狀,馬鈴薯栽培種由于長期無性繁殖而種質退化。下圖表示利用馬鈴薯野生種改進馬鈴薯栽培種的技術路徑。下列說法不正確的是(　　)。
A.馬鈴薯栽培種和馬鈴薯野生種之間不存在生殖隔離
B.新品種1的育種原理為基因重組和染色體變異
C.獲得新品種2的育種方法可能是植物體細胞雜交
D.過程①用到了植物組織培養技術,過程②可用秋水仙素處理馬鈴薯野生種
【答案】　A
【解析】　馬鈴薯栽培種屬于四倍體,馬鈴薯野生種屬于二倍體,兩者之間存在生殖隔離,A不正確;新品種1是由增倍馬鈴薯野生種與馬鈴薯栽培種雜交產生的,所以新品種1的育種原理為基因重組和染色體變異,B正確;新品種2是由降倍馬鈴薯栽培種和馬鈴薯野生種通過植物體細胞雜交形成的,體細胞中含有四個染色體組,C正確;過程①是花藥離體培養,用到了植物組織培養技術,過程②可用秋水仙素處理馬鈴薯野生種,使其染色體數目增倍,D正確。
易錯分析
1.快速繁殖實際上是一種無性繁殖。在繁殖過程中,細胞的分裂方式是有絲分裂,一般情況下親、子代細胞內DNA相同,所以能夠保證子代遺傳特性不變。
2.脫毒苗≠抗毒苗。脫毒苗是選擇植物的莖尖(剛形成,不含有病毒)進行組織培養而獲得的,屬于細胞工程的范疇;而抗毒苗是把某抗病基因導入植物細胞,屬于基因工程的范疇。
對點練1　(2022·大同期中)下列關于農作物脫毒苗的制備和應用的敘述,錯誤的是(　　)。
A.長期進行有性繁殖的作物易感染和積累病毒
B.制備作物脫毒苗的原理是植物細胞具有全能性
C.取頂端分生組織進行組織培養可制備脫毒苗
D.脫毒苗的使用可顯著提高作物的產量和品質
【答案】　A
【解析】　長期進行無性繁殖的作物易感染和積累病毒,A錯誤;制備作物脫毒苗采用植物組織培養技術,其原理是植物細胞具有全能性,B正確;頂端分生組織幾乎不含病毒,可取頂端分生組織進行組織培養制備脫毒苗,C正確;脫毒苗的使用可顯著提高作物的產量和品質,D正確。
活動2　作物新品種的培育
作物新品種的培育除傳統的雜交育種外,還有單倍體育種、人工誘變育種、基因工程育種等。在單倍體育種領域,科學家成功地培育出中花8號、11號水稻和京花1號小麥等作物新品種。觀察圖示,回答相關問題:
1.完善單倍體育種的流程。
花藥　愈傷組織 　單倍體　植株純合植株優良品種
2.單倍體育種的原理是什么
提示　生殖細胞的全能性(花藥離體培養得到單倍體植株)和染色體數目的變異(人工誘導單倍體幼苗使植株染色體數目加倍)。
3.單倍體育種過程中如何誘導染色體加倍 作用原理是什么
提示　用秋水仙素處理,原理是秋水仙素抑制紡錘體的形成,使細胞不能正常分裂,從而使染色體數目加倍。
4.完善突變體育種的流程。
5.突變體育種的原理是什么
提示　基因突變或染色體變異。
6.在植物組織培養過程中,為什么培養的細胞容易產生突變
提示　因為培養的細胞一直處于不斷增殖的狀態,容易受到培養條件和誘變因素的影響而產生突變。
認知生成
植物組織培養與花藥離體培養的比較
比較項目 植物組織培養 花藥離體培養
理論依據 植物細胞的全能性
基本過程 外植體→脫分化→愈傷組織→再分化→植株
影響因素 選材、營養、激素、溫度、pH、光照等
不同點 外植體 體細胞 生殖細胞(花粉)
生殖方式 無性生殖 有性生殖
培養結果 正常的可育植株 高度不育的單倍體植株(要獲得可育的純合植株還需要用秋水仙素處理單倍體幼苗)
操作流程 制備MS固體培養基→外植體消毒→接種→培養→移栽→栽培 選材→材料的消毒→接種和培養→篩選和誘導→移栽→栽培選育
例2　(2022·杭州二模)將基因型為CcDd的水稻的花藥通過無菌操作,接入試管后,在一定條件下形成試管苗甲,對試管苗甲用秋水仙素處理得到植株乙。下列相關敘述正確的是(　　)。
A.愈傷組織是花粉細胞經過減數分裂后形成的不規則的細胞團
B.在愈傷組織的形成過程中,必須從培養基中獲得水、無機鹽和血清等物質
C.為促進花粉細胞分裂生長,需在培養基中加入一定濃度的植物激素
D.植株乙可能出現的基因型有CD、Cd、cD、cd
【答案】　C
【解析】　愈傷組織是花粉細胞經過脫分化、有絲分裂后形成的不規則的細胞團,A錯誤;在愈傷組織的形成過程中,必須從培養基中獲得水、無機鹽和植物激素等物質,血清用于培養動物細胞,植物組織培養不需要,B錯誤;在植物組織培養過程中,脫分化和再分化過程需要生長素和細胞分裂素的誘導,所以為促進花粉細胞分裂生長,需在培養基中加入一定濃度的生長素等植物激素,C正確;基因型為CcDd的水稻的花藥離體培養形成的試管苗甲的基因型為CD、Cd、cD、cd,用秋水仙素處理后,染色體數目加倍,因此植株乙可能出現的基因型有CCDD、CCdd、ccDD、ccdd,D錯誤。
歸納總結　　常見四種育種方法的比較
育種方法 原理 過程 優點
快速繁殖 植物細胞的全能性 脫分化、再分化 保持優良品種的遺傳特性
突變體 的利用 基因突變、植物細胞的全能性 誘變處理后組織培養 提高突變率,獲得優良性狀
單倍體 育種 植物細胞的全能性、染色體變異 花藥離體培養、秋水仙素誘導染色體數目加倍 明顯縮短育種年限
植物體 細胞雜交 細胞膜的流動性、植物細胞的全能性 原生質體融合、雜種細胞組織培養 打破生殖隔離,實現遠緣雜交
對點練2　(2022·濟寧月考)下圖表示玉米(2n=20)的花藥離體培養及單倍體育種的大致過程。下列敘述錯誤的是(　　)。
A.過程①是脫分化,形成的愈傷組織細胞處于未分化狀態
B.過程②進行的是有絲分裂,植株A是從試管苗中篩選出的可育二倍體
C.過程①和②均要使用生長素和細胞分裂素,但兩種激素的比例不同
D.可用體積分數為70%的酒精對花藥進行消毒處理
【答案】　B
【解析】　過程①是脫分化過程,脫分化后的細胞的結構和功能都發生了明顯改變,轉變成未分化狀態,A正確;過程②是愈傷組織進行再分化的過程,植株A是經過花藥離體培養而獲得的單倍體,B錯誤;生長素和細胞分裂素是啟動脫分化和再分化的關鍵激素,它們的濃度、比例都會影響植物細胞的發育方向,C正確;操作前需用體積分數為70%的酒精對離體的花藥進行消毒,D正確。
活動3　細胞產物的工廠化生產
紫草是一種重要的藥用植物,其根部富含紅色的萘醌類次生代謝物——紫草寧及其衍生物。它們具有抗菌、消炎、活血和誘導癌細胞凋亡等功效,同時也是一種天然染料。利用細胞產物的工廠化生產獲得紫草寧已成為解決其產量問題的重要手段。
1.外植體經誘導后形成愈傷組織的過程稱為什么 培養過程需要加入一定的植物激素,常見的植物激素有哪些
提示　脫分化。細胞分裂素和生長素。
2.選用新生營養芽為外植體的原因是什么
提示　細胞分化程度低,容易誘導形成愈傷組織。
3.完善細胞產物工廠化生產的流程。
外植體　愈傷組織 　細胞懸液　
細胞產物
4.生產目的不同,植物組織培養的階段也不同。若要培育新個體、提取細胞產物,應分別培養到什么階段
提示　若要培育新個體,則應培養到試管苗階段;若要提取細胞產物,則應培養到愈傷組織階段。
認知生成
植物細胞培養和植物組織培養的區別
項目 植物細胞培養 植物組織培養
原理 細胞增殖 植物細胞的全能性
目的 獲得細胞產物 獲得植物體
過程
應用 細胞產物的工廠化生產,如紫草寧、人參皂苷等 快速繁殖、作物脫毒等
例3　(2022·岳陽檢測)從紅豆杉屬植物中提取分離出的紫杉醇是一種有效的抗癌藥物,傳統生產方法是從紅豆杉樹皮和樹葉中提取,但野生紅豆杉是瀕危植物,這種方法不利于對它們的保護。我國科學家經過多年研究,篩選出了高產紫杉醇的細胞。通過植物細胞培養技術可獲得大量紫杉醇,實現紫杉醇的工廠化生產,過程如下圖。下列敘述正確的是(　　)。
A.紫杉醇具有高抗癌活性,是一種初生代謝物
B.離體的紅豆杉組織經過肽聚糖酶處理獲得分散的細胞后可直接用于細胞懸浮培養
C.植物細胞培養技術的原理是植物細胞的全能性
D.形成愈傷組織需要某些植物激素的誘導
【答案】　D
【解析】　紫杉醇具有高抗癌活性,不是植物基本生命活動所必需的產物,是一種次生代謝物,A錯誤;離體的紅豆杉組織經過纖維素酶和果膠酶處理后進行懸浮培養,B錯誤;植物細胞懸浮培養技術的原理是細胞增殖,C錯誤;植物組織培養過程中,脫分化形成愈傷組織的過程需要植物激素的誘導,D正確。
知識拓展
1.細胞產物一般是細胞的次生代謝物,不一定是蛋白質。
2.細胞培養一般是使細胞增殖,也可能會利用組織培養技術,先脫分化然后再分化獲得所需的特定細胞后再進行培養。
3.工廠化生產紫杉醇是先利用植物組織培養技術將植物細胞培養到薄壁細胞階段,再在反應器中大規模培養薄壁細胞。
4.生產并培育四倍體草莓和培育無子西瓜的原理是染色體變異。
對點練3　(2023·南京期末)辣椒素作為一種生物堿廣泛用于食品保健、醫藥工業等領域。辣椒素的獲得途徑如圖所示。下列敘述錯誤的是(　　)。
A.圖示途徑體現了植物組織培養技術用于作物繁殖的新途徑
B.通常需用體積分數為70%的酒精對外植體進行消毒
C.通過液體培養基來大量培養高產細胞系,可以實現辣椒素的工廠化生產
D.植物莖尖分生區附近幾乎無病毒,可用作外植體培養脫毒苗,獲得抗病毒的植株
【答案】　D
【解析】　圖中途徑1通過植物組織培養技術獲得脫毒苗,是作物繁殖的新途徑,A正確;植物組織培養過程中需用體積分數為70%的酒精對外植體進行消毒,以實現無菌操作,B正確;植物細胞的培養一般使用液體培養基,可從細胞培養物中獲取辣椒素,以實現辣椒素的工廠化生產,C正確;植物莖尖分生區附近幾乎無病毒,可用作外植體培養脫毒苗,但脫毒苗不能抗病毒,D錯誤。
素能提升　通過對植物細胞工程在農業、醫藥工業等方面的應用實例的分析,認同植物細胞工程對生產生活帶來的積極影響,提升分析問題、解釋問題的能力
1.科研人員研究了馬鈴薯莖尖外植體大小對幼苗的成苗率和脫毒率的影響,結果如圖。下列相關敘述錯誤的是(　　)。
A.培育脫毒苗所依據的原理有基因突變和細胞的全能性
B.培育脫毒苗的過程中涉及脫分化和再分化兩個階段
C.實驗結果表明莖尖越小,脫毒率越高,成苗率越低
D.根據本實驗,培育脫毒苗時莖尖的適宜大小為0.27 mm
【答案】　A
【解析】　馬鈴薯莖尖病毒極少甚至無病毒,因此可利用馬鈴薯莖尖進行組織培養形成脫毒苗,所依據的原理是細胞的全能性,A錯誤;培育脫毒苗的過程中利用了植物組織培養技術,涉及脫分化和再分化兩個階段,B正確;據圖可知,莖尖越小,脫毒率越高,成苗率越低,C正確;莖尖大小為0.27 mm時,脫毒率和成苗率均較高,因此培育馬鈴薯脫毒苗時莖尖的適宜大小為0.27 mm,D正確。
2.(2023·吉林聯考)青錢柳細胞中的花青素對人體有降血糖、抗氧化、抗腫瘤等作用。為使青錢柳細胞在工廠化條件下能高效生產花青素,實驗人員研究了不同濃度的2,4-D對懸浮培養的青錢柳細胞的影響,相關結果如圖所示。下列敘述正確的是(　　)。
A.工廠化生產花青素受季節、天氣等因素的影響較大
B.工廠化生產花青素需要將青錢柳細胞培育為幼苗
C.較高濃度的2,4-D不利于花青素的生產
D.一定濃度的2,4-D可以促進青錢柳細胞的生長
【答案】　C
【解析】　工廠化生產花青素幾乎不受季節、天氣等因素的影響,A錯誤;由題意可知,從青錢柳細胞中就可以提取出花青素,不需要將青錢柳細胞培育為幼苗,B錯誤;由圖可知,隨著2,4-D濃度由0.25 mg·L-1升高到5.0 mg·L-1,總花青素產量逐漸下降,故較高濃度的2,4-D不利于花青素的生產,C正確;由圖可知,隨著2,4-D濃度的升高,生物量呈現下降的趨勢,且均低于對照組,故一定濃度的2,4-D可以抑制青錢柳細胞的生長,D錯誤。
【隨堂檢測】
課堂小結 課堂小測
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.培育脫毒苗所選的組織培養材料可以來自植株的任何部位。 (×) 3.單倍體育種和突變體培育的遺傳學原理是一致的。 (×) 4.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可來自愈傷組織細胞。 (√) 5.工廠化生產的細胞次生代謝物的化學成分都是蛋白質。 (×)
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