資源簡介

(共56張PPT)
第一章 發酵工程
2.1.2植物細胞工程的應用
選擇性必修三
溫故 · 知新
接種外植體
誘導愈傷組織
誘導生芽
誘導生根
脫分化
再分化
植物組織培養技術
移栽成活
A細胞
B細胞
A原生質體
B原生質體
正在融合的原生質體
雜種細胞
愈傷組織
雜種植株
移栽后的植株
去壁
去壁
融合
再生出細胞壁
脫分化
再分化
移栽
植物體細胞雜交技術
溫故 · 知新
一、植物繁殖的新途徑
資料1：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，因為蘭花種子十分微小，胚很纖弱，種子幾乎無儲藏營養物質，在發芽過程中很易夭折。
一、植物繁殖的新途徑
資料2：20世紀60年代，荷蘭科學家成功地利用組織培養技術來培育蘭花。目前，荷蘭的蘭花生產已經發展成為舉世聞名的蘭花產業，每年為荷蘭創造了巨額的外匯收入。在我國，組織培養技術也已經廣泛用于蘭花種苗的規模化繁殖，這使得名貴蘭花的價格大幅下降，普通百姓也能購買和觀賞。
（1）快速繁殖技術（微型繁殖技術）：用于快速繁殖優良品種的植物組織培養技術，被稱為植物的快速繁殖技術，也叫微型繁殖技術。
（2）過程：
外植體
脫分化
愈傷組織
再分化
根、芽
完整植株
試管苗
1. 快速繁殖
（5）原理：
①高效、快速地實現種苗的大量繁殖；
②無性繁殖，親、子代細胞DNA相同，所以可以保持優良的遺傳特性；
③不受自然生長季節的限制，培養周期短；
（6）優點：
植物細胞的全能性
④選材少，繁殖率高，便于自動化管理。
1. 快速繁殖
（3）生殖方式：
一般為無性生殖
（4）細胞分裂方式：
有絲分裂
（7）實例：
一些優良的觀賞植物、經濟林木、無性繁殖作物和瀕危植物等。甘蔗、桉樹和鐵皮石斛等試管苗的生產，已形成一定規模。
1. 快速繁殖
鐵皮石斛
桉樹苗
甘蔗
運用組織培養的途徑，一個單株一年可以繁殖幾萬到幾百萬個植株，而且均來自單一的個體，可以保持優良品種的遺傳特性。
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。
1. 快速繁殖
鐵皮石斛：蘭科石斛屬植物，莖直立，圓柱形，花期3-6月，生于1600m左右的山地半陰濕的巖石上，主要分布于中國安徽、浙江、福建等地。
鐵皮石斛：富含某些糖類和生物堿，可以用來提取藥物。其莖入藥，鐵皮石斛有滋陰潤肺、養胃生津、健腦名目、補五肺之虛勞的神奇功效，鐵皮石斛對增加免疫力、抗衰老、防治癌癥、治療糖尿病等有著確切療效，對煙酒過度、勞累過度、用眼用腦過度、聲帶嘶啞等恢復有特殊療效。
鐵皮石斛的產業化育苗
【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。
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。
生姜是藥食兩用的經濟作物，在生產上長期采用無性繁殖，容易感染多種病毒病，使生姜品質變差，葉子皺縮，生長緩慢，一般減產30%-50%。
病毒引起的植物病害有500多種。受害植物包括糧食作物、蔬菜、果樹和花卉等。而且沒有有效的防治辦法，只能拔除，造成經濟損失。病毒多集中在種子、老葉等器官中，在幼嫩的器官和未成熟的組織中較少，在分生區幾乎不含病毒。
2. 作物脫毒
（1）培育脫毒苗的原因：長期進行無性繁殖的作物，感染的病毒很容易傳給后代，病毒在作物體內逐年積累，會導致作物產量降低、品質變差。
（2）選材部位：
①植物頂端分生區附近（如莖尖）。
②選材原因：分生區附近的病毒極少，甚至無病毒。
2. 作物脫毒
莖尖
植物頂端分生區
被病毒感染
脫毒馬鈴薯葉片
（3）方法：
切取一定大小的莖尖進行組織培養，再生的植株就有可能不帶病毒，從而獲得脫毒苗（莖尖組織培養技術）。
（4）優點：
脫毒作物的產量和品質明顯優于沒有脫毒的作物。
2. 作物脫毒
（5）實例：馬鈴薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠蘿、香蕉等作物上獲得成功。
脫毒草莓
普通草莓
通過組織培養技術獲得的脫毒苗是否具有抗病毒能力？
注意：脫毒苗 ≠ 抗毒苗。與快速繁殖相比較，二者無本質區別，只是取材部位不同。
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，屬于細胞工程的范疇；
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。
抗毒苗：
抗病基因
導入
植物細胞
植物組織培養
完整植株
現有純合的高稈抗病小麥（DDTT）和矮稈感病小麥（ddtt），怎樣盡快得到純合的矮稈抗病的優良品種（ddTT）并留種？
你能想到幾種育種方法？用遺傳圖解表示出來。
思考 · 討論
方法一：雜交育種
第1年
第2年
第3~6年
矮稈抗病
P
高桿抗病
DDTT
×
矮桿感病
ddtt
F1
高桿抗病
DdTt
F2
D__T__
D__tt
ddT__
ddtt
矮稈抗病純種
ddTT
雜交
自交
選種
多次自交選種
優良性狀的純合子
某一年生植物甲和乙是具有不同優良性狀的品種，單個品種種植時均正常生長。欲獲得兼具甲乙優良性狀的品種，科研人員進行雜交實驗，發現部分F1植株在幼苗期死亡。已知該植物致死性狀由非同源染色體上的兩對等位基因（A/a和B/b）控制，品種甲基因型為aaBB，品種乙基因型為_ _bb。回答下列問題:
（1）品種甲和乙雜交，獲得優良性狀F1的育種原理是___________。
（2）為研究部分F1植株致死的原因，科研人員隨機選擇10株乙，在自交留種的同時，單株作為父本分別與甲雜交，統計每個雜交組合所產生的F1表現型，只出現兩種情況，如下表所示。
基因重組
a①該植物的花是兩性花，上述雜交實驗，在授粉前需要對甲采取的操作是___________、___________。
②根據實驗結果推測，部分F1植株死亡的原因有兩種可能性:其一，基因型為A_B_的植株致死；其二，基因型為___________的植株致死。
③進一步研究確認，基因型為A_B_的植株致死，則乙-1的基因型為___________。
去雄
套袋
aaBb
AAbb
（3）要獲得全部成活且兼具甲乙優良性狀的F1雜種，可選擇親本組合為:品種甲（aaBB）和基因型為___________的品種乙，該品種乙選育過程如下:
第一步:種植品種甲作為親本
第二步:將乙-2自交收獲的種子種植后作為親本，然后___________統計每個雜交組合所產生的F1表現型。
選育結果:若某個雜交組合產生的F2全部成活，則___________的種子符合選育要求。
aabb
用這些植株自交留種的同時，單株作為父本分別與母本甲雜交
對應父本乙自交收獲
配子
DT Dt dT dt
DDTT DDtt ddTT ddtt
矮桿抗病純種
DDTT ddtt
DdTt
高桿抗病
矮桿感病
DT Dt dT dt
方法二：單倍體育種
單倍體幼苗
正常植株
P
F1
第1年
第2年
雜交
×
秋水仙素處理
花藥離體培養
正常物種二倍體
單倍體（含1個染色體組）
正常物種四倍體
單倍體（含2個染色體組）
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
二、作物新品種的培育
1. 單倍體育種
注意：由生殖細胞直接發育而來，無論體細胞中含有幾個染色體組都稱為單倍體。
（1）單倍體
①概念：生物體細胞中染色體數目與本物種配子染色體數目相同的個體，即由配子（精子或卵細胞）直接發育而來的個體。
蜂王（雌性）
工蜂（雌性）
雄蜂
（體細胞中32條染色體）
（體細胞中32條染色體）
（體細胞中16條染色體）
單倍體實例—蜜蜂
工蜂(2n=32)
（♀性腺未發育）
雄蜂（n=16）
精子
（n=16）
受精卵
（2n=32）
卵細胞
（n=16）
蜂王(2n=32)
（♀性腺發育成熟）
減數
分裂
假減數
分裂
工蜂(2n=32)
（只吃3天蜂王漿）
蜂王(2n=32)
（一直吃蜂王漿）
不受精直接發育
單倍體實例—蜜蜂
測量株高
收獲的果穗
細胞學鑒定
N=10
單倍體玉米
1. 單倍體育種
（1）單倍體
②特點：植株弱小，一般高度不育。
①概念：通過花藥（或花粉）培養獲得單倍體植株，然后經過誘導染色體加倍，當年就能培育出遺傳性狀相對穩定的純合二倍體植株。
（2）單倍體育種
②原理：
染色體數目變異、植物細胞的全能性
1. 單倍體育種
（2）單倍體育種
1. 單倍體育種
③過程：
花藥或花粉
單倍體植株
正常純合二倍體
人工誘導
染色體加倍
愈傷組織
選擇親本
有性雜交
F1代
脫分化
離體培養
再分化
④方法：
花藥（花粉）離體培養 + 人工誘導染色體加倍
人工誘導染色體加倍：低溫或秋水仙素處理抑制有絲分裂前期紡錘體的形成，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。
優良純種
脫分化
單倍體植株
純合二倍體
人工誘導
染色體加倍
選擇
再
分
化
花藥
花粉
P
有性
雜交
F1
單倍體育種的流程
×
Ⅰ. 后代都是純合子，能穩定遺傳；
（2）單倍體育種
1. 單倍體育種
⑤優點：
Ⅱ. 極大地縮短了育種的年限，節約大量的人力和物力；
Ⅲ. 單倍體育種得到的植株隱性性狀容易顯現，是體細胞誘變育種和研究遺傳突變的理想材料。
Ⅰ. 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。
⑥實例
Ⅱ. 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。
（1）突變體：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。從產生突變的個體中可以篩選出對人們有用的突變體，進而培育成新品種。
二、作物新品種的培育
2. 突變體的利用
（2）誘變常用材料：
愈傷組織、單倍體育種獲得的隱性純合體
（3）原理：
突變（基因突變或染色體變異）、植物細胞的全能性。
（4）過程：
二、作物新品種的培育
2. 突變體的應用
誘變處理
新品種
愈傷組織
再分化
外植體
脫分化
篩選
培育
突變體
愈傷組織細胞不斷分裂，細胞要進行DNA分子復制，因此更易發生突變。
【思考】為什么對愈傷組織進行誘變處理？
2. 突變體的利用
（5）優點：
提高突變率，加速育種進程；大幅度地改良某些性狀。
（6）缺點：
二、作物新品種的培育
突變具有不定向性和低頻性，有利性狀個體比較少，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。
【思考】產生的突變體一定符合需要嗎？
不一定，因為突變是不定向的。
2. 突變體的利用
抗鹽堿的煙草
（7）實例：
二、作物新品種的培育
已篩選出抗病、抗鹽、高產以及蛋白質含量高的突變體，如抗花葉病毒的甘蔗、抗鹽堿的煙草等已經用于生產。
抗花葉病毒的甘蔗
1. 植物代謝及代謝產物
（1）初生代謝及初生代謝物
①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。
三、細胞產物的工廠化生產
②初生代謝物：糖類、脂質、蛋白質、核酸等。
1. 植物代謝及代謝產物
（2）次生代謝及次生代謝物
①次生代謝：
②次生代謝物：一類小分子有機化合物（如酚類、萜類和含氮化合物等）。
三、細胞產物的工廠化生產
③應用：
不是生物生長所必需的，一般在在特定的組織或器官中，并在一定的環境和時間條件下才進行的。
Ⅰ. 在植物的抗蟲、抗病等方面發揮作用；
Ⅱ. 很多藥物、香料和色素等的重要來源。
Ⅰ. 植物細胞次生代謝物含量很低，從植物組織提取會大量破壞植物資源；
Ⅱ. 有些產物不能或難以通過化學合成途徑得到。
1. 植物代謝及代謝產物
（2）次生代謝及次生代謝物
三、細胞產物的工廠化生產
④應用中面臨的問題
應用多、產量低
課堂篇探究學習
2. 細胞產物的工廠化生產
三、細胞產物的工廠化生產
（1）概念：利用植物細胞培養來獲得目標產物，這個過程就是細胞產物的工廠化生產。
（2）植物細胞培養
①概念：在離體條件下對單個植物細胞或細胞團進行培養使其增殖的技術。
課堂篇探究學習
外植體
脫分化
愈傷組織
細胞懸液
細胞產物
培養、提取、破碎
振蕩分散
②過程：
三、細胞產物的工廠化生產
（2）植物細胞培養
注意：
Ⅰ. 一般培養到愈傷組織階段，從愈傷組織的細胞中獲得細胞產物。因為此時細胞分裂能力強，代謝快，產物多；
（液體培養基）
Ⅱ. 液體培養基（培養液）有利于培養的細胞與營養物質充分接觸。
③優點：快速高效，不占用耕地，幾乎不受季節、天氣等的限制。
④意義：對于社會、經濟、環境保護具有重要意義。
（2）植物細胞培養
（3）實例
①紫草寧：紫草細胞中提取的一種藥物和色素，具有抗菌、消炎、抗腫瘤等活性，世界上首例藥用植物細胞工程產品。
紫草 → 紫草寧
（3）實例
②紫杉醇：紅豆杉屬植物（瀕危植物）體內產生一種次生代謝產物。具有高抗癌活性，已被廣泛用于乳腺癌等癌癥的治療。
紅豆杉 → 紫杉醇
（3）實例
③我國在人參、三七等植物細胞的大規模培養領域取得了很大的進展，實現了利用人參細胞培養來生產人參中重要的活性成分——人參皂苷。
人參
課堂篇探究學習
脫分化
培養選擇
破碎細胞
放入發酵罐
工廠化生產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胞
細胞增殖
人參皂苷粉
用于植物細胞培養的反應器
“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
歸納總結：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
原理
過程
應用
獲得植物體
獲得細胞產物
植物細胞的全能性
細胞增殖
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
歸納總結：四種育種方法的比較
育種方法 原理 主要過程 優點
快速繁殖
突變體 的利用
單倍體 育種
植物體細 胞雜交
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、植物細胞的全能性
對愈傷組織進行誘變處理后再篩選
提高突變率，獲得優良性狀
染色體數目變異、植物細胞的全能性
花藥（花粉）離體培養、人工誘導染色體數目加倍
明顯縮短育種年限
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
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。（ ）
√
×
練習與應用（P42）
一、概念檢測
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（P42）
一、概念檢測
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F1（AaSusu）再進行自交，F2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（AAsusu）？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（P42）
二、拓展應用
提示：F2中的紫色甜玉米的基因型可能為Aasusu或AAsusu。如果運用常規育種方法，將F2中的紫色甜玉米與白色甜玉米（aasusu）進行測交，可以選擇出基因型為AAsusu的純種紫色甜玉米。但這種方法比較煩瑣，耗時也較長，需要至少三年的選種和育種時間。其實在F1產生的花粉中就可能有Asu的組合，如果利用花藥培養的技術獲得單倍體植株。再經過誘導染色體加倍，就可以直接得到紫色甜玉米的純合體。這種方法可以大大縮短育種周期。
雜交育種
單倍體育種
紫色非甜玉米
AASuSu
×
白色甜玉米
aasusu
紫色非甜玉米
AaSusu
↓
ASu
Asu
aSu
asu
花藥（花粉）離體培養
單倍體幼苗
ASu
Asu
aSu
asu
純合體
染色體加倍
AASuSu
AAsusu
aaSuSu
aasusu
選擇紫甜玉米
P
紫色非甜玉米
AASuSu
×
白色甜玉米
aasusu
F1
紫色非甜玉米
AaSusu
第1年
×
選育出紫甜的純種
F2
A_Su_
A_susu
aaSu_
aasusu
紫甜
第2年
第3年
×
生長
AAsusu
F3
第4年
配子
P
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。
練習與應用（P42）
二、拓展應用
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。
謝 謝 觀 看

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