1.2.2 植物细胞工程的应用 课件 2023—2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3

市场上有一种叫作“手指植物”的工艺品受到很多人的欢迎。这些 “手指植物”通常培育在装有彩色固体培养基的小玻璃瓶中，只要保证充 足的光照和适宜的温度，不需要额外补充水分或营养物质， 它们就能在玻璃瓶中生长三四个月之久。学习了本节 课之后，你也可以尝试制作“手指植物”。如果有 商店正在出售这种植物，你还可以做个市 场调查，了解它们的销售情况和经济效 益，分析它们为什么受欢迫，并写出 调查报告 2.1.2植物细胞工程的应用 资料1:兰花因高雅美丽而深受人们喜爱。兰花常用分根法和种子进行 繁殖。在兰花的常规繁殖中，遇到的难题是：用分根法繁殖速度缓慢， 不利于新品种的推广；用种子繁殖又很困难，因为兰花的种子十分微小， 胚很纤弱，种子几乎没有储藏营养物质，在发芽过程中很容易夭折。 实际问题：经济苗木、名贵花卉、珍稀植物等自然繁殖速度缓慢，繁 殖效率低下或优良性状不易保持.....如何解决? 植物细胞工程的应用 03 细胞产物的工厂化生产 植物繁殖的新途径 作物新品种的培育 01 0 02 阅读教材P39, 思考以下问题： 1、什么是快速繁殖技术? 2、快速繁殖技术有哪些特点? 3、快速繁殖技术用于产业化生产的实例有哪些? 外植体 组织 根、芽→ 试管苗 (2)原理：植物细胞的全能性 ( 3 ) 优 点：①高效、快速地实现种苗的大量繁殖 ②无性繁殖，可以保持优良品种的遗传特性 ③不受自然生长季节的限制，培养周期短 ④选材少，繁殖率高，便于自动化管理。 (1)概念：.用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，也叫 作微型繁殖技术。 植物繁殖的新途径 1.快速繁殖 脱分化愈伤再分化 试管苗大规模培养 【思考】植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是 什么? 植物组织培养到愈伤组织阶段，细胞进行旺盛、快速的 有丝分裂，从而获得大量的组织细胞。不断地对愈伤组织进行 分割、移瓶、诱导再分化就可以形成大量的新植株。另外，植 物组织培养在实验室进行， 一般不受季节、气候等条件的限制。 其细胞分裂方式是有丝分裂，亲、子代细胞 DNA相同，所以可以保持亲代优良的遗传特性。 无性生殖 植物繁殖的新途径 1.快速繁殖 (4)应用： 植物、经济林木、无性繁殖 ( 5 ) 实 例:甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产，已 形成一定规模。 作物和濒危植物等 快速繁殖优良的观 铁皮石斛的工厂化生产 阅读教材P40 “作物脱毒”,思考以下问题： 1、作物为什么要进行脱毒? 2、应该选择植物的什么部位培育脱毒苗?为什么要 选择该部位? 3、培育脱毒作物的流程是怎样的? 4、 脱毒作物有何优点? 5、你还知道哪些作物脱毒的实例? 10 植物繁殖的新途径 2、作物脱毒 马铃薯 (1)脱毒原因 → 无性繁殖→ 感染的病毒很 容易传给后代 病毒在作物 作物产量降 体内积累 低品质变差 (2)脱毒方法及部位 顶端分生区(如茎尖、芽尖、根尖): 与微型繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同 植物组织培养 脱毒苗 注：脱毒苗不等于抗毒苗。 病毒极少， 甚至无病毒 草莓 香蕉 植物繁殖的新途径 2、作物脱毒 (3)脱毒过程： ( 织)脱分化 再分化 根、芽→ 幼苗移栽成活 完整植株 ( 4 ) 优 点 ：明显提高农作物的产量和品质 (5)实例： 组织 愈伤 切取茎尖组 无病毒组织 在马铃薯、草莓、 大蒜、甘蔗、菠 萝和香蕉等许多 作物上获得成功。 图2-12脱毒马铃薯 (左和普通马铃薯右) 脱毒草莓 普通 草莓 脱毒马铃薯田与被病毒 感染未脱毒马铃薯叶片 脱毒苗不等于抗毒苗。 脱毒苗是选择植物的茎尖进行组织培养而获得的，只是体内 不含病毒，不能抵抗病毒侵染，属于细胞工程的范畴； 抗毒菌是把某抗病基因导入植物细胞 ，属于基因工程 的范畴； 脱毒产品 图2- 12 脱毒马铃薯 (左和普通马铃薯(右) 未脱毒草莓 脱毒草莓 菠萝 甘蔗 香蕉 ④优良杂交种后代会因发生 性状分离而丧失优良特性 常规种子植物生产的不足： ①树木需生长数年才能结出种子 ②受季节、气候和地域的限制 ③制种时需要占用大量土地 如何克服缺陷? 植物繁殖的新途径 3、人工种子 愈伤组织 胚状体 幼苗 胡萝卜植株 人工种皮 胚状体 一人工胚乳 (提供发育所需的营养) 概念：通过植物组织培养的 方法获得的胚状体、不定芽、 顶芽和腋芽等材料外面包被 着人工薄膜，在适宜的条件 下可以发芽成幼苗的种子。 植物繁殖的新途径 3、人工种子 人工种子 胡萝卜根 的韧皮部 完整植物体 种下去 制成人工种子 问： 人工种皮是保证包裹在其中的胚状体顺利生长成小植株的关键部分， 人工种皮中应该具有的有效成分是什么? 适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等。 问：为了促进胚状体的生长发育。我们还可以向人工种皮中加入哪些物质? 植物生长调节剂。 植物生长调节剂在组培过程中要灭菌后加入一(高温、强光下易挥发、分解) 植物繁殖的新途径 3、人工种子 人工种子来自有性 生殖?无性生殖? 无性生殖 过程： 外 脱分化 包裹人工种皮 愈伤 组织 胚状体 再分化 植 体 人工薄膜，透气透水 胚状体(不定芽、顶芽和腋芽) 营养物质+抗生素、 农药+有益菌+植物生长调节剂 一人工种皮一 胚状体 一 人工胚乳—→ 植物繁殖的新途径 3、人工种子 组 成：胚 状 体十人工种皮十人工胚乳 种皮 胚 胚乳 单子叶植物的种子 一种皮 胚 —胚乳 ②不受季节、气候和地域的限制 ③避免占用大量土地制种，节约粮食 ④解决某些作物品种繁殖能力差、结子 困难或发芽率低等问题 ⑤后代无性状分离，保持优良品种的遗传特性 外部薄膜 藻朊酸钙胶体 保水剂 营养液等 一胚状体 植物繁殖的新途径 3、人工种子 ①易于储藏和运输 优点： 植物繁殖的新途径 人工种子应用 3、人工种子 水稻 阅读教材P40” 单倍体育种”,思考以下问题： 1、 单 倍 体 育 种 的 流 程 是 怎 样 的 ? 它 有 什 么 优 点 ? 2、 拓展应用(P42) 已知紫色非甜玉米(基因型AASS) 和白色甜玉米( 基 因型aass) 杂交，得到的F1再进行自交，F2 会有紫色 甜玉米的表型产生。如果要筛选出纯合的紫色甜玉米 (基因型AAss ), 你可以想到几种育种方法?请你提 出相关实验设计思路。 20 2、单倍体育种： (1)概念：通过花药(或花粉)培养获得单倍体植株，然后经过诱 导染色体加倍，当年就能培育出遗传性状相对稳定的纯合二倍体 植株； 二 作物新品种的培育 1、单倍体育种 1、 单倍体：由配子(如卵细胞、花粉等)直接发育而成的个体。 特点：植株枝叶茎杆弱小，果实多而小，一般高度不育。 Ⅱ秋水仙素诱发：(目前常用、最有效) 处 理 萌 发 的 种 子 或 幼 苗 。 原 理 ：抑制纺锤体的形成，导致染色体不能移向细 胞的两极，从而引起细胞内染色体数目加倍 复制 作 用 时 期 ： 有丝分裂的前期 分裂 染 色 体 细 胞 无 法 数 加 倍 正常分裂 二 作物新品种的培育1 、单倍体育种 方 法 ：I 低温处理： 整个单倍体育种过程的原理是染色体变异 无纺缠 丝牵引 注意①:单倍体育种的目的不是获得单倍体本身， 因为单倍体是高度不育的，在生产上没有实际价 值 ，需诱导单倍体的染色体数目加倍H 5 注意②:单 倍体育种和多倍体育种均 需要用秋水 仙素诱导染色体数目加倍；单倍体育种需要 先 利 用植物组织培养技术形成单倍体幼苗，但多倍体 育种一般不使用植物组织培养技术。 g 。 现有紫色非甜玉米(基因型AASS) 和白色甜玉米(基因型aass), 如何短时 间获得纯种的紫色甜玉米(基因型AAss), 思 路 ? 优点：操作简单 的纯种 (常需5～6年) 选择紫甜玉米即为新品种 缺 二 作物新品种的培育1、自 (3)优点 ① 极大地缩短了育种的年限， ② 后代一般都是纯合子， 能 稳 ③可作为体细胞诱变育种和 研 大多数单倍体植株的细胞中只含— 到的植株的隐性性状容易显现。 (4)缺点：技术相当复杂 纯合 二倍体(2n 二倍体(2n) 单倍体(n) aa 二 作物新品种的培育 1、单倍体育种 (5)实例 我国科学家在1974年成功培育出世界上第 一个单倍体作物新品种——单育1号烟草。 我国科学家把单倍体育种与常规育种结合起来，育成水稻、 玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物的新品种。 (3)利用：筛选对人们有利的突变体，进而培育成新品种。 (4)原理： 突 变 和植物细胞的全能性 突变=基因突变+染色体变异 在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态 易受培养条件和诱变因素(如射线，化学物质等)的影响而产生突变。 突变体育种的原理是突变，诱变育种的原理是基因突变。 二 作物新品种的培育2、突变体的利用 诱变处理 多种突变体 (2)过程： 愈伤组织 (1)原理 外植体 新品种 筛选培育 诱导分化 脱分化 ( 5 ) 优 点 ：提高变异的频率，加速育种进程 (6)缺点： 难以控制突变方向，有利性状比较少 二 作物新品种的培育 2、突变 的工Im 抗花叶病毒的甘蔗 抗盐碱的野生烟草 抗除草剂的白三叶草 (7)实例： 幼苗脱毒效里雨好.下列相关叙述错误的是(C) ③ 接种到培养基A 中，诱导生芽 ④ 转移到培养基B 中，诱导生根 A.① 过程所取茎尖中的叶原基具有较高的分裂、分化能力 B.② 过程的作用可能是阻碍病毒等进入茎尖分生组织 C.③④ 过程中基因的选择性表达导致了细胞脱分化 1. 如图为培育甘蔗脱毒苗的两条途径，研究发现经②过程获得的 ② 52 ℃热水处理31 min 再38 ℃处理10~15 d ① 取0.5~1.0 mm 带叶原基的芽 立 差 其 △ R 由 获得 脱毒苗 列 去 2.下列关于育种的说法，错误的是( D ) A. 杂交育种的原理是基因重组，基因重组发生在雌雄配子结合时 B. 单倍体育种的原理是花药离体培养，优点是能明显缩短育种年 限 C. 多倍体育种中，秋水仙素和低温均作用于有丝分裂的后期使染 色体数目加倍 D. 培育高产青霉素菌株的原理是基因突变，发生在分裂间期 阅读教材P41“细胞产物的工厂化生产”,思考以 下问题： 1、利用细胞产物工厂化生产获得的细胞代谢物的种类 有哪些? 2、细胞产物工厂化生产的实例有哪些? 31 ?产物：→如糖类、脂质、蛋白质、核酸等 次生代谢： 抗虫、抗病等方面发挥作用，也是很多 上的 药物、香料和色素等的重要来源。 代谢 植物 三 细胞产物的工厂化生产 初生代谢：是 生物生长和生存所必需的代谢活动， 一直进行 (如酚类、萜类和含氮化合物等) 缺点：①植物细胞的次生代谢物含量很低。 ② 有些产物不能或难以通过化学合成途径得到。 应用多、产量低 物：一类小分子有机化合物 利用植物细胞培养 来获得目标产物 紫草宁： 具有抗 菌、消 炎、抗 肿瘤等 活性。 紫草→紫草宁 紫杉醇 具有高 抗癌活 性。 利 用植物细胞培养来获得目标产物，即目标次生代谢物 的过程就是细胞产物的工厂化生产。 三 细胞产物的工厂化生产 红豆杉→紫杉醇 脱分化 细胞悬液 振荡分散 03 细胞产物的工厂化生产 植物细胞培养 1、概念：指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培 养使其增殖的技术。 2、原理：细胞增殖 3、优势：不占用耕地、不受季节、天气的限制， 对社会、经济、环保具有重要意义。 细胞产物 提取 细胞悬浮培养 愈伤组织 外植体 03 细胞产物的工厂化生产 4、实 例 ： 红豆杉→ 紫杉醇 紫草→ 紫草宁 人参→人参皂苷 用组织培养技术生产的 人参，生长速度比栽培 人参约快100倍以上。 抗菌、消炎和抗肿瘤， 世界首例药用植物细 胞工程产品。 具有高抗癌活性， 已被用于乳腺癌等 癌症的治疗。 且细胞内人参皂苷粉含量高的细胞 细胞增殖破碎细胞、提取人参皂苷粉 注意：①一般组织培养到愈伤组织即可。因为此时 细胞分裂能力强，代谢快，产物多。 ②液体培养基(培养液)有利于培养的细胞与营养物质充分接触。 细胞产物的工厂化生产的过程 人参根 脱分化 愈伤组织 培养选择 外植体 愈伤组织 细胞产物 工厂化生产人参皂苷粉的基本流程： 增长速度快而 放入发酵罐 脱分化 培养、提取 人参皂苷的工厂化生 产使产量大大增加 少 多 栽培6~7年 的人参 人参细胞发酵罐 20~30天 项目 植物组织培养 植物细胞培养 目的 获得植物体 获得细胞产物 原理 植物细胞的全能性 细胞增殖 培养基 固体培养基 液体培养基 过程 脱分化 外植体 →愈伤组织 外脱分化 愈伤细胞培养 植体 组织 悬浮细胞 细胞产物←—细胞群 再分化 幼 苗 ← — — 胚 状 体 应用 快速繁殖、作物脱毒、单倍体育种等 细胞产物的工厂化生产， 特别提醒 植物组织培养和植物细胞培养的比较 育种方法 原理 过程 优点 快速繁殖 细胞的全能性 脱分化、再分化 保持优良品种的遗 传特性 突变体 的利用 基因突变、 细胞的 全能性； 对愈伤组织进行诱变 处理后再筛选 提高 突变率 获得优良性状 单倍体 育种 细胞的_全能性、 染 色 体 变 异; 先花药离体培养 再秋水仙素 诱 导染色体数目加倍 明显缩短? 育种年限 植物体细 胞杂交 细胞膜的流动性、 细胞的 全能性; 植物细胞融 合 、 杂种细胞组织培养 打破 生殖隔离 实现 远缘杂交。 【归纳总结2】四种育种方法的比较 选择顶端 作物 分生组织 脱毒 脱分化 愈伤组织 再分化 试管苗 植株 分散后 3.细胞产物的 工厂化生产 进行诱变突变体 筛选 的利用 选择花药 单倍体 育种 1.植物 繁殖的 新途径 2.植物 新品质 的培育 课堂小结 快速 繁殖 悬浮培养 外植体 No Image “手指植物”的制作方法用到了植物组织培养技术。在制作过程中， 一定要注意做好灭菌和消毒工作，为了防止污染可在培养基中加入一 定量的抑菌剂。另外，还可以根据个人喜好，在培养基中加入适量的 色素或者荧光剂，使“手指植物”更具有观赏价值。 基的小玻璃瓶中，只要保证充足的光照和适宜 的温度，不需要额外补充水分和营养物质，它 们就能在玻璃瓶中生长三四个月之久。 到社会中去 “手指植物”通常培育在装有彩色固体培养 1.将紫草细胞进行细胞培养，诱导其脱分化产生愈伤组织，再对愈伤组织进 行悬浮培养使其大量增殖，以获取大量的紫草宁。下列关于紫草宁的工厂化 生产的叙述，错误的是( ) A.细胞产物的工厂化生产是植物细胞工程的重要用途之一 B.培养过程中需要脱分化形成愈伤组织，然后悬浮培养愈伤组织细胞 C 培养的愈伤组织需要经过再分化产生特定的组织细胞 后才能产生特定的细胞产物 D.培养的细胞收集后一般要破碎提取有效成分 A. 该途径依据的原理是植物细胞具有全能性 B.过程①需控制好培养基中植物激素的比例 C. 经过程①细胞的形态和结构未发生变化 D. 过程③需使用固体培养基，有利于细胞增殖 ③ 高产 细胞群 2. 如图是通过植物细胞工程技术获得紫杉醇的途径，下列叙述正确的是() 紫杉 外植体 细胞 分泌物 单个 细胞 愈伤 组织 紫杉醇 提取 ② l 3 .植物代谢会产生一些一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产 物——次生代谢物。下列相关叙述错误的是( ) A. 次生代谢物是一类小分子有机物(如酚类、萜类和含氮化合物等) B. 植物细胞的次生代谢物含量很低，有些产物不能或难以通过化学合成 途径得到 C 细胞产物的工厂化生产是指利用植物组织培养来获得目标产物的过程 D. 植物细胞培养是指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养 使其增殖的技术 一、概念检测 1.运用植物细胞工程技术可以培育单倍体植株和进行细胞产物的工厂化 生产。判断下列相关表述是否正确。 (1)用花药培养得到单倍体植株需要用到植物组织培养技术。( √ ) (2)细胞产物的工厂化生产主要是利用促进细胞生长的培养条件，提 高了单个细胞中次生代谢物的含量。( ) 2.生产中培育香蕉脱毒苗常用的方法是( D ) A.人工诱导基因突变 B.选择优良品种进行杂交 C.进行远缘植物体细胞杂交 D.取茎尖分生组织进行组织培养 练习与应用P42 2.甜叶菊是一种菊科植物，植株中所含甜菊糖的甜度是蔗糖的300倍左右，而它的热 量却很低，所以它逐渐成为一些用糖行业欢迎的新糖源。甜叶菊的种子小，发芽率低， 种子繁殖遗传性状不稳定；而扦插植株的根系弱，且需要原始材料多，这些都会限制 甜叶菊的生产。假如你是某甜叶菊生产公司的项目负责人，该公司当前运行状况良好， 但一直未能解决种子发芽率低的问题。为了提高公司的甜叶菊繁育效率，你应该如何 作出决策，并请说出理由。 提示：积极探索其他的繁育途径。例如，研究如何利用植物 组织培养技术繁育甜叶菊，研究内容涉及植物组织培养材料 的选择，培养基配方的优化，提高试管苗移栽成活率的方法 等 ，最终目的是建立一套利用植物组织培养技术繁育甜叶菊 的标准技术体系，实现甜叶菊种苗的产业化生产。 练习与应用P42 甜叶菊 $$