資源簡介

第2章 細胞工程
第1節 植物細胞工程
二、植物細胞工程的應用
植物細胞工程在生產實踐中有哪些應用？
植物細胞工程應用于生產實踐的主要優勢是什么？
本節聚焦
1
2
背景：蘭花因高雅美麗而深受人們喜愛。蘭花常用分根法和種子進行繁殖。在蘭花的常規繁殖中，遇到的難題是：用分根法繁殖速度緩慢，不利于新品種的推廣;用種子繁殖又很困難，因為蘭花的種子十分微小，胚很纖弱，種子幾乎沒有儲藏營養物質，在發芽過程中很容易夭折。
實際問題：經濟苗木、名貴花卉、珍稀植物等自然繁殖速度緩慢，繁殖效率低下或優良性狀不易保持……如何解決？
【從社會中來】
“手指植物”通常培育在裝有彩色固體培養基的小玻璃瓶中，只要保證充足的光照和適宜的溫度，不需要額外補充水分和營養物質，它們就能在玻璃瓶中生長三四個月之久。
“手指植物”的制作方法用到了植物組
織培養技術。在制作過程中，一定要注意做好滅菌和消毒工作，為了防止污染可在培養基中加入一定量的抑菌劑。另外，還可以根據個人喜好，在培養基中加入適量的色素或者熒光劑，使“手指植物”更具有觀賞價值。
【到社會中去】
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。也叫微型繁殖技術。
01
植物繁殖的新途徑
外植體
脫分化
愈傷組織
再分化
根、芽
試管苗
（2）生殖方式：
一般為無性生殖
其細胞分裂方式是有絲分裂，親、子代細胞DNA相同，所以可以保持親代優良的遺傳特性。
（3）原理：
植物細胞的全能性
*扦插、壓條、嫁接等不屬于微型繁殖技術；
多肉也可進行葉插繁殖
1.選取多肉上健康、飽滿的葉片。
2.用剪刀或直接用手輕輕掰下葉片。
3.平放沙床，葉片間隔相聚2~3厘米
4.葉片切口不要碰臟，擺放通風處2~3天晾干
5.待葉片晾干后移至半陰處養護。
6.約2~3周后生根，或從葉基處長出不定芽
7.葉插成功
【思考】植物組織培養可以進行快速繁殖的原因是什么？
植物組織培養到愈傷組織階段，細胞進行旺盛、快速的有絲分裂，從而獲得大量的組織細胞。不斷地對愈傷組織進行分割、移瓶、誘導再分化就可以形成大量的新植株。另外，植物組織培養在實驗室進行，一般不受季節、氣候等條件的限制。
（5）應用：
快速繁殖經濟苗木、名貴花卉、珍稀瀕危植物等自然繁殖速度緩慢，繁殖效率低下或優良性狀不易保持的植物。
（4）優點：
①高效、快速地實現種苗的大量繁殖。
②保持優良品種的遺傳特性。
③不受自然生長季節的限制，培養周期短。
④可實現工業化生產。
8
甘蔗、桉樹和鐵皮石斛等試管苗的生產，已形成一定規模。
鐵皮石斛的工廠化生產
馬鈴薯
1.脫毒原因
草莓
香蕉
感染的病毒很容易傳給后代
無性繁殖
病毒在作物體內積累
作物產量降低品質變差
01
植物繁殖的新途徑
2.作物脫毒
脫毒馬鈴薯田與被病毒感染未脫毒馬鈴薯葉片
2.脫毒方法
取材：頂端分生區附近
植物組織培養
脫毒苗
3.優點
明顯提高農作物的產量和品質
4.實例
在馬鈴薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠蘿和香蕉等許多作物上獲得成功。
01
植物繁殖的新途徑
選材原因：該部位的病毒極少，甚至無病毒。
取如莖尖、根尖：
脫毒苗不等于抗毒苗。
脫毒苗是選擇植物的莖尖進行組織培養而獲得的，只是體內不含病毒，不能抵抗病毒侵染，遺傳物質沒有發生改變；
抗毒苗培育是采用某抗病基因導入植物細胞等方法，遺傳物質發生改變；
脫毒苗 與微型繁殖相比較，二者無本質區別，只是取材部位不同。
P
DDTT
ddtt
F1
DdTt
F2
D_T_
D_tt
ddT_
ddtt
高稈抗病
矮稈不抗病
F3
連續的自交直至不發生性狀分離
選出ddT_
用高稈抗病（DDTT）和矮稈不抗病（ddtt）小麥品種培育矮稈抗病小麥（ddTT），如果要篩選出純合的矮稈抗病的優良性狀的小麥，你可以想到幾種育種方法？
雜交育種
缺點：
獲得新品種的周期長
選育出需要的矮抗純種
Fn
02
作物新品種的培育
P DDTT × ddtt
F1 DdTt
DdTt
DT
Dt
dT
dt
DT
Dt
dT
dt
DDTT
DDtt
ddTT
ddtt
（種子）
第
一
年
（植物體）
減數分裂
（花粉）
花藥離體培養
（單倍體幼苗）
秋水仙素處理
（二倍體純合植株）
第
二
年
播種
雜交育種:
02
作物新品種的培育
缺點：耗時長
優點：操作簡單
單倍體育種:
1.單倍體育種
選擇親本
雜交
F1
花藥(粉)
離體培養
單倍體植株（幼苗）
人工誘導
染色體加倍
可育
純合子
優良品種
（2）原理：染色體（數目）變異
植物細胞的全能性
篩選
（1）過程：
02
作物新品種的培育
優良品種
花藥 花粉
離體培養
單倍體
純合二倍體
人工誘導
染色體加倍
選擇
P
高桿抗病
DDTT
矮桿感病
ddtt
×
F1
第1年
高桿抗病
DdTt
DT
Dt
dT
dt
配子
花藥離體培養
DT
Dt
dT
dt
單倍體幼苗
純合體
DDTT
DDtt
ddTT
ddtt
秋水仙素誘導
矮抗
選擇矮稈抗病即為新品種
第2年
單倍體育種
注意①：單倍體育種的目的不是獲得單倍體本身，因為單倍體是高度不育的，在生產上沒有實際價值，需誘導單倍體的染色體數目加倍。
注意②：單倍體育種和多倍體育種均需要用秋水仙素誘導染色體數目加倍；單倍體育種需要先利用植物組織培養技術形成單倍體幼苗，但多倍體育種一般不使用植物組織培養技術。
(3)優點
①獲得遺傳性狀相對穩定的純合二倍體植株，明顯地縮短育種年限。
雜交育種一定比單倍體育種周期長嗎？
②大多數單倍體植株的細胞中只含有一套染色體，染色體加倍后得到的植株的隱性性狀容易出現，因此它也是進行體細胞誘變育種和研究遺傳突變的理想材料。
我國科學家在1974年成功培育出世界上第一個單倍體作物新品種——單育1號煙草。
（4）實例
我國科學家把單倍體育種與常規育種結合起來，育成水稻、玉米、油菜、甘藍和甜椒等作物的新品種。
02
作物新品種的培育
2.突變體的利用
在植物組織培養過程中，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。
（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　
誘導分化
篩選對人們有利的突變體,進而培育成新品種。
誘變處理
（3）利用：
（1）突變體產生的原因：
（7）實例：
（4）原理：
基因突變和植物細胞的全能性。
（5）優點：
提高變異的頻率;加速育種進程;大幅度地改良某些性狀。
（6）缺點：
難以控制突變方向，有很大的盲目性，需要大量處理實驗材料。
白三葉草
抗除草劑的白三葉草
抗花葉病毒的甘蔗
抗鹽堿的野生煙草
已經篩選到抗病、抗鹽、含高蛋白、高產的突變體。
紅豆杉，又名紫杉。1971年，科學家從紅豆杉樹皮中分離出了紫杉醇發現它具有獨特的抗腫瘤作用。據人民日報》2001年10月17日第5版報道，2000年國際市場上優質紫杉醇的售價已高達每千克18萬美元。1994-1996年，在紅豆杉分布最多、最集中的云南，紅豆杉遭受了一場浩劫。盜伐者大量砍伐紅豆杉，使大大小小的山溝里，到處都是被剝光樹皮的裸樹溪河的水浸出鮮血般的紅色樹汁……野生紅豆杉是瀕危植物，直接從它的樹皮和樹葉中提取紫杉醇的傳統生產方式，不僅產量低，還會對野生紅豆杉資源造成嚴重破壞，而紫杉醇的化學全合成法尚不具備生產應用價值。
資料：紫杉醇是存在于紅豆杉屬植物體內的一種次生代謝物，具有高抗癌活性。
1、初生代謝物：
初生代謝是生物生長和生存所必需的代謝活動，在整個生命過程中一直進行著。初生代謝物有糖類、脂質、蛋白質、核酸等。
03
細胞產物的工廠化生產
一類小分子有機化合物(如酚類、萜類和含氮化合物等)
（1）含義：
（2）本質：
（3）作用：
在植物抗病、抗蟲等方面發揮作用，也是很多藥物、香料和色素等的重要來源。
次生代謝是指不是生物生長所必需的，一般在特定的組織和器官中，并在一定的環境和時間條件下才進行。
植物代謝產生的一些一般認為不是植物基本生命活動________的產物。
所必需
（4）缺點：
①含量______。
②有些產物不能或難以通過化學途徑得到。
很低
2、次生代謝物：
從植物組織提取會大量破壞植物資源。
03
細胞產物的工廠化生產
3、細胞產物的工廠化生產
(1)概念：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。
外植體
愈傷組織
細胞懸液
脫分化
振蕩分散
細胞懸浮培養
細胞產物
提取
（3）優勢
不占用耕地、不受季節、天氣的限制，對社會、經濟、環保具有重要意義。
(2)過程：
植物細胞培養
紫草寧、紫杉醇、人參皂苷的植物細胞工程產品。
（4）實例
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
區別植物組織培養和植物細胞培養
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
培養基
固體培養基
液體培養基
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}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
外植體
愈傷組織
試管苗
脫分化
再分化
植株
作物脫毒
選擇頂端分生組織
快速繁殖
單倍體育種
選擇花藥
進行誘變
突變體的利用
分散后
懸浮培養
3.細胞產物的工廠化生產
2.植物新品質的培育
1.植物繁殖的新途徑
篩選
課堂小結
“手指植物”通常培育在裝有彩色固體培養基的小玻璃瓶中，只要保證充足的光照和適宜的溫度，不需要額外補充水分和營養物質，它們就能在玻璃瓶中生長三四個月之久。
“手指植物”的制作方法用到了植物組
織培養技術。在制作過程中，一定要注意做好滅菌和消毒工作，為了防止污染可在培養基中加入一定量的抑菌劑。另外，還可以根據個人喜好，在培養基中加入適量的色素或者熒光劑，使“手指植物”更具有觀賞價值。
【到社會中去】
一、概念檢測
1.運用植物細胞工程技術可以培育單倍體 植株和進行細胞產物的工廠化生產。判斷下列相關表述是否正確。
（1）用花藥培養得到單倍體植株需要用到植物組織培養技術。（ ）
（2）細胞產物的工廠化生產主要是利用促進細胞生長的培養條件，提高了單個細胞中次生代謝物的含量。（ ）
2.生產中培育香蕉脫毒苗常用的方法是（ ）
A.人工誘導基因突變
B.選擇優良品種進行雜交
C.進行遠緣植物體細胞雜交
D.取莖尖分生組織進行組織培養
√
×
D
練習與應用
1.紫色非甜玉米（基因型為AASuSu）和白色甜玉米（基因型為aasusu）雜交（Su和su代表一對等位基因），得到的F（AaSusu）再進行自交，F，會有紫色甜玉米的表型產生。如果運用常規育種方法，應該如何篩選出純合的紫色甜玉米?如果利用花藥培養的技術，又應該怎樣做呢?請你設計相關實驗的思路。
練習與應用
二、拓展應用
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
↓
×
選育出需要
的矮抗純種
F2
A_S_
A_ss
aaS_
aass
紫甜
傳統方法： 雜交育種
第2年
第3年
×
生長
A_ss
F3
第4年
配子：
AS
As
aS
as
AS
As
aS
as
秋水 仙素
AAss
aaSS
aass
AASS
紫甜
P
紫色非甜 AASS
×
白色甜
aass
F1
紫色非甜
AaSs
第1年
單倍體幼苗：
純合體:
單倍體育種
第2年
2.甜葉菊是一種菊科植物，植株中所含甜菊糖的甜度是蔗糖的300倍左右，而它的熱量卻很低，所以它逐漸成為一些用糖行業歡迎的新糖源。甜葉菊的種子小，發芽率低，種子繁殖遺傳性狀不穩定；而扦插植株的根系弱，且需要原始材料多，這些都會限制甜葉菊的生產。假如你是某甜葉菊生產公司的項目負責人，該公司當前運行狀況良好，但一直未能解決種子發芽率低的問題。為了提高公司的甜葉菊繁育效率，你應該如何作出決策，并請說出理由。
提示：積極探索其他的繁育途徑。例如，研究如何利用植物組織培養技術繁育甜葉菊，研究內容涉及植物組織培養材料的選擇，培養基配方的優化，提高試管苗移栽成活率的方法等，最終目的是建立一套利用植物組織培養技術繁育甜葉菊的標準技術體系，實現甜葉菊種苗的產業化生產。
練習與應用
二、拓展應用

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