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第二章 第1節(jié)
植物細(xì)胞工程的應(yīng)用
本節(jié)聚焦
1.通過對植物細(xì)胞工程應(yīng)用實(shí)例的分析，了解這些應(yīng)用涉及的技術(shù)流程和應(yīng)用的優(yōu)勢。
2.認(rèn)同植物細(xì)胞工程在生產(chǎn)實(shí)踐中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
知識回顧
1.植物組織培養(yǎng)概念：
指離體的植物器官、組織或細(xì)胞等，培養(yǎng)在人工控制的培養(yǎng)基上，給予適宜的培養(yǎng)條件，誘導(dǎo)其分化為完整植株的技術(shù)。
2.植物組織培養(yǎng)原理：
植物細(xì)胞具有全能性
3.植物組織培養(yǎng)基本過程：
外植體→脫分化→愈傷組織→再分化→試管苗
4.植物組織培養(yǎng)過程中植物激素對植物細(xì)胞發(fā)育方向的影響：
生長素與細(xì)胞分裂素的比值高 有利于根的分化，抑制芽的形成
生長素與細(xì)胞分裂素的比值低 有利于芽的分化，抑制根的形成
生長素與細(xì)胞分裂素的比值適中 促進(jìn)愈傷組織的形成
知識回顧
1.植物體細(xì)胞雜交的概念：
植物體細(xì)胞雜交是指將不同來源的植物體細(xì)胞，在一定條件
下融合成雜種細(xì)胞，并把雜種細(xì)胞培育成新植物體的技術(shù)。
2.遵循原理：細(xì)胞膜具有流動性；細(xì)胞的全能性
3.兩個(gè)標(biāo)志：
（1）植物細(xì)胞融合完成的標(biāo)志：再生出新的細(xì)胞壁
（2）植物體細(xì)胞雜交完成的標(biāo)志：培育成新植物體
4.優(yōu)點(diǎn)：
打破生殖隔離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)緣雜交育種，培育植物新品種等方面展示出獨(dú)特的優(yōu)勢。
石斛：驅(qū)解虛熱，益精強(qiáng)陰等療效、觀賞價(jià)值。
實(shí)際問題：經(jīng)濟(jì)苗木、名貴花卉、珍稀植物等自然繁殖速度緩慢，繁殖效率低下或優(yōu)良性狀不易保持……如何解決？
連翹：清熱解毒、消腫散結(jié)、消炎
一、植物繁殖的新途徑
（一）快速繁殖：
1.概念：
用于快速繁殖優(yōu)良品種的植物組織培養(yǎng)技術(shù)，也叫微型繁殖
2.生殖方式：
植物細(xì)胞的全能性
3.分裂方式：
外植體
脫分化
愈傷組織
再分化
根、芽
試管苗
一般為無性生殖
4.原理：
有絲分裂
5.特點(diǎn)：
(1)高效、快速地實(shí)現(xiàn)種苗的大量繁殖。
(2)保持優(yōu)良品種的遺傳特性。
(3)不受自然生長季節(jié)的限制，培養(yǎng)周期短。
(4)選材少，繁殖率高，便于自動化管理。
一、植物繁殖的新途徑
（一）快速繁殖：
思考1：
思考2：
為什么植物組織培養(yǎng)可以進(jìn)行快速繁殖？
為什么快速繁殖技術(shù)可以保持優(yōu)良品種的遺傳特性？
植物組織培養(yǎng)到愈傷組織階段，細(xì)胞進(jìn)行旺盛、快速的有絲分裂，從而獲得大量的組織細(xì)胞。不斷地對愈傷組織進(jìn)行分割、移瓶、誘導(dǎo)再分化就可以形成大量的新植株。另外，植物組織培養(yǎng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，一般不受季節(jié)、氣候等條件的限制。
該技術(shù)屬于無性繁殖，培養(yǎng)過程中細(xì)胞有絲分裂、分化過程遺傳物質(zhì)保持不變，所獲得的品種保持原優(yōu)良品種的遺傳特性。
一、植物繁殖的新途徑
（一）快速繁殖：
6.應(yīng)用：
快速繁殖經(jīng)濟(jì)林木、名貴花卉、珍稀瀕危植物等自然繁殖速度緩慢，繁殖效率低下或優(yōu)良性狀不易保持的植物。
運(yùn)用組織培養(yǎng)的途徑，一個(gè)單株一年可以繁殖幾萬到幾百萬個(gè)植株，而且均來自單一的個(gè)體，可以保持優(yōu)良品種的遺傳特性。例如一株葡萄一年繁殖到3萬多株，一株蘭花一年繁殖到400萬株。
鐵皮石斛
君子蘭
金花茶
扦插、壓條、嫁接屬于快速繁殖嗎？
扦插、壓條、嫁接等是營養(yǎng)繁殖，屬于無性繁殖，但不屬于微型繁殖技術(shù)。
一、植物繁殖的新途徑
運(yùn)用組織培養(yǎng)的途徑，一個(gè)單株一年可以繁殖幾萬到幾百萬個(gè)植株，而且均來自單一的個(gè)體，可以保持優(yōu)良品種的遺傳特性。例如一株葡萄一年繁殖到3萬多株，一株蘭花一年繁殖到400萬株。
1960年，荷蘭科學(xué)家通過對蘭花莖尖進(jìn)行培養(yǎng)，獲得了快速繁殖的脫毒蘭花，隨后在國內(nèi)外進(jìn)行了“蘭花試管苗產(chǎn)業(yè)化”。
作物脫毒
（1）作物脫毒原因：用無性繁殖的方式進(jìn)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(nèi)逐年積累，就會導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低、品質(zhì)變差。
脫毒作物的產(chǎn)量和品質(zhì)明顯優(yōu)于沒有脫毒的作物。
普通草莓
脫毒草莓
脫毒馬鈴薯田與被病毒感染的未脫毒馬鈴薯葉片(左上)。
(2)選材部位：
植物的頂端分生區(qū)附近(如莖尖和根尖)。
原因：植物分生區(qū)細(xì)胞病毒少，甚至沒有病毒
注：脫毒苗不等于抗毒苗。
與微型繁殖相比較，二者無本質(zhì)區(qū)別，只是取材部位不同。
脫毒過程
4.脫毒產(chǎn)品：馬鈴薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠蘿和香蕉等。
現(xiàn)有紫色非甜玉米（基因型AASS）和白色甜玉米（基因型aass），如何獲得純種的紫色甜玉米（基因型AAss）？
實(shí)際問題：傳統(tǒng)的育種方法是通過雜交把兩親本的優(yōu)良性狀組合在同一后代中。
但缺點(diǎn)是：要不斷進(jìn)行(多年)純化和選擇，才得到一種符合理想要求的新品種。如何解決育種時(shí)間過長的問題？
二、作物新品種的培育
（一）單倍體育種：
單倍體：
由配子（如卵細(xì)胞、花粉等）直接發(fā)育而來的個(gè)體。
單倍體植株長得弱小，而且一般高度不育。
優(yōu)良品種
花藥
花粉
離體培養(yǎng)
單倍體
純合二倍體
人工誘導(dǎo)
染色體加倍
選擇
二、作物新品種的培育
（一）單倍體育種：
花藥中的花粉
單倍體
幼苗
秋水仙素
處理
純合體
篩選
優(yōu)良性狀
純合體
愈傷組織
離體培養(yǎng)
脫分化
再分化
花藥離體培養(yǎng)
(植物細(xì)胞的全能性)
思考：單倍體育種的目的不是獲得單倍體植株？
育種原理？
秋水仙素處理
(染色體數(shù)目變異)
能夠抑制紡錘體的形成，導(dǎo)致染色體不能移向細(xì)胞的兩極，從而引起細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)目加倍。
1.過程：
二、作物新品種的培育
（一）單倍體育種：
①極大地縮短了育種的年限，節(jié)約了大量的人力和物力。
雜交育種培育一個(gè)可以穩(wěn)定遺傳的作物優(yōu)良品種，一般不斷自交選優(yōu)，常需5～6年。而單倍體育種當(dāng)年就能培育出所需純合體。
②后代都是純合子，能穩(wěn)定遺傳。
③可作為進(jìn)行體細(xì)胞誘變育種和研究遺傳突變的理想材料。
大多數(shù)單倍體植株的細(xì)胞中只含一套染色體，染色體加倍后得到的植株的隱性性狀容易顯現(xiàn)。
2.優(yōu)點(diǎn)：
二、作物新品種的培育
（一）單倍體育種：
我國科學(xué)家在1974年成功培育出世界上第一個(gè)單倍體作物新品種——單育1號煙草。
我國科學(xué)家把單倍體育種與常規(guī)育種結(jié)合起來，育成水稻、玉米、油菜、甘藍(lán)和甜椒等作物的新品種。
3.實(shí)例：
二、作物新品種的培育
（二）突變體的利用：
1.原理：
組織培養(yǎng)時(shí)，由于培養(yǎng)的細(xì)胞一直處于不斷的分生狀態(tài)，易受培養(yǎng)條件和外界壓力（如射線，化學(xué)物質(zhì)等）的影響而產(chǎn)生突變。
3.原理：
2.過程：
外植體
新品種
篩選培育
愈傷組織
脫分化
多種突變體　
誘導(dǎo)分化
誘變處理
突變(基因突變+染色體變異）和植物細(xì)胞的全能性。
【思考】誘變處理的對象為什么要選擇愈傷組織？產(chǎn)生的變異一定符合需要嗎？
愈傷組織細(xì)胞不斷分裂，細(xì)胞要進(jìn)行DNA分子復(fù)制，因此更易發(fā)生突變。不一定，因?yàn)橥蛔兪遣欢ㄏ虻摹?br/>二、作物新品種的培育
（二）突變體的利用：
通過人工誘變提高愈傷組織的突變率，加快育種進(jìn)程，大幅度地改良某些性狀。
突變具有不定向性、多害少利和低頻性，因此需要處理大量突變材料，并從中篩選出符合人們需要的品種。
已篩選出抗病、抗鹽、高產(chǎn)以及蛋白質(zhì)含量高的新品種，如抗花葉病毒的甘蔗、抗鹽堿的煙草等。
抗除草劑白三葉草
抗花葉病毒的甘蔗
抗鹽堿的煙草
4.優(yōu)點(diǎn)：
5.缺點(diǎn)：
6.實(shí)例：
育種方法 原理 主要過程 優(yōu)點(diǎn)
快速繁殖
突變體 的利用
單倍體 育種
植物體細(xì) 胞雜交
植物細(xì)胞的全能性
脫分化、再分化
保持優(yōu)良品種的遺傳特性
基因突變、
植物細(xì)胞的全能性
對愈傷組織進(jìn)行誘變處理后再篩選
提高突變率，獲得優(yōu)良性狀
植物細(xì)胞的全能性、染色體變異
花藥離體培養(yǎng)、秋水仙素誘導(dǎo)染色體數(shù)目加倍
明顯縮短育種年限
細(xì)胞膜的流動性、
植物細(xì)胞的全能性
原生質(zhì)體融合、
雜種細(xì)胞組織培養(yǎng)
打破生殖隔離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)緣雜交
四種育種方法的比較
三、細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)
抗除草劑白三葉草
抗花葉病毒的甘蔗
植物代謝
初生代謝：
次生代謝：
不是植物基本生命活動所必需的，一般在特定的組織或器官中，并在一定的環(huán)境和時(shí)間條件下才進(jìn)行
產(chǎn)物
如糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸等。
產(chǎn)物
應(yīng)用
一類小分子有機(jī)化合物（如酚類、萜類和含氮化合物等）
缺點(diǎn)
a、在植物抗病、抗蟲方面發(fā)揮作用
b、也是很多藥物、香料和色素等的重要來源
應(yīng)用多、產(chǎn)量低
含量很低，從植物組織中提取會大量破壞植物資源，有些產(chǎn)物又不能或難以通過化學(xué)合成途徑得到。
利用植物細(xì)胞培養(yǎng)來獲得目標(biāo)產(chǎn)物
細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)
區(qū)別？
（一）植物的代謝產(chǎn)物：
生物生長生存所必需的代謝活動，整個(gè)生命過程一直進(jìn)行。
三、細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)
抗除草劑白三葉草
抗花葉病毒的甘蔗
三、細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)
抗除草劑白三葉草
抗花葉病毒的甘蔗
（二）細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)：
在離體條件下對單個(gè)植物細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)進(jìn)行培養(yǎng)使其增殖的技術(shù)。
植物細(xì)胞培養(yǎng)（細(xì)胞增殖）：
利用植物細(xì)胞培養(yǎng)來獲得目標(biāo)產(chǎn)物，這個(gè)過程就是細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)。
植物組織培養(yǎng)技術(shù)
外植體
脫分化
愈傷組織
細(xì)胞懸液
細(xì)胞產(chǎn)物
培養(yǎng)、提取、破碎
分散開
去壁
（液體培養(yǎng)基）
注意：
① 材料？
②培養(yǎng)基？
一般培養(yǎng)到愈傷組織即可。因?yàn)榇藭r(shí)細(xì)胞分裂旺盛，代謝快，有利于產(chǎn)物生成。
（液體培養(yǎng)液）有利于培養(yǎng)的細(xì)胞與營養(yǎng)物質(zhì)充分接觸。
1.概念：
2原理：
3.過程：
三、細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)
抗除草劑白三葉草
抗花葉病毒的甘蔗
脫分化
培養(yǎng)選擇
破碎細(xì)胞
放入發(fā)酵罐
工廠化生產(chǎn)人參皂苷干粉的基本流程
人參根
愈傷組織
增長速度快且人參皂苷含量高的細(xì)胞
細(xì)胞增殖
人參皂苷粉
用于植物細(xì)胞培養(yǎng)的反應(yīng)器
4.實(shí)例：
（二）細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)：
三、細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)
抗除草劑白三葉草
抗花葉病毒的甘蔗
紫草寧、紫杉醇、人參皂苷的植物細(xì)胞工程產(chǎn)品。
紫草寧——具有抗菌、消炎和抗腫瘤等活性
紫杉醇——具有高抗癌活性，已被用于乳腺癌等癌癥的治療
紅豆杉→紫杉醇
紫草→紫草寧
人參→
人參皂苷
4.實(shí)例：
（二）細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)：
三、細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)
抗除草劑白三葉草
抗花葉病毒的甘蔗
植物組織培養(yǎng)和植物細(xì)胞培養(yǎng)的比較
比較項(xiàng)目 植物組織培養(yǎng) 植物細(xì)胞培養(yǎng)
目的
原理
過程
應(yīng)用
植物細(xì)胞的全能性
細(xì)胞增殖
獲得植物體
獲得細(xì)胞產(chǎn)物
快速繁殖、作物脫毒、單倍體育種等
細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)，如紫草寧、人參皂苷、紫杉醇等
總結(jié)

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