2.1.2 植物细胞工程的应用-2024-2025学年高二生物同步优质备课（人教版2019选择性必修3）

第1节 植物细胞工程 （第2课时） 【本节聚焦】 1.植物细胞工程在生产实践中有哪些应用? 2.植物细胞工程在生产实践的主要优势是什么？ 第2章 细胞工程 本PPT模板部分元素使用了幻灯片母版制作。如果需要修改，点击-视图-幻灯片母版-修改；完成后关闭编辑母版即可。 1 学习目标、重难点 核心素养 1.掌握植物细胞工程在快速繁殖、作物脱毒、单倍体育种、突变体利用等方面的应用。 2.掌握植物细胞工程应用于生产实践的优势。 1、生命观念：通过植物细胞工程应用实例的分析，了解这些应用涉及的技术流程和应用优势，以及给人们带来的影响。 2、科学探究：基于生产和生活需要，尝试运用所学植物细胞工程的知识解决生产、生活中的问题。 3、社会责任：认同植物细胞工程的重要应用价值，列举植物组织培养技术在生产实践中的应用，说明植物细胞工程对生产的影响。 教学重点: 1.植物细胞工程在生产实践中的应用。 2.植物细胞工程用于与生产实践的主要优势。 教学难点: 1.植物细胞工程在作物新品种的培育方面的具体应用:单倍体育种和突变体的利用。 2.细胞产物的工厂化生产的过程和植物组织培养过程的不同。 2 石斛：驱解虚热，养胃生津、提高免疫力、延年益寿等疗效、观赏价值。 植物组织培养 情境导入 传统生产中，铁皮石斛繁殖的途径一般有有性繁殖和无性繁殖： 特点：繁殖速度慢，后代易出现性状分离，不易保持品种的优良性状。 特点：保持原品中的优良性状，但易将病毒传给后代，造成减产。 思考：如何解决以上问题？ 1、什么是快速繁殖技术？有哪些特点？用于产业化生产的实例有哪些？ 2、作物为什么要进行脱毒？ 3、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？ 4、培育脱毒作物的流程是怎样的？ 5、脱毒作物有何优点？ 阅读课本P39-40，回答以下问题：(5min) 课前导读 一、植物繁殖的新途径 1.快速繁殖 （1）概念： 用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 根、芽 试管苗 （3）原理： 植物细胞的全能性 （2）生殖方式： 一般为无性生殖 （4）特点： ①高效、快速地实现种苗的大量繁殖。 ②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。 （微型繁殖技术） 一、植物繁殖的新途径 快速繁殖经济林木、名贵花卉、珍稀濒危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的植物。 （5）应用： 铁皮石斛 红豆杉 君子兰 金花茶 例如，一株葡萄一年繁殖到3万多株，一株兰花一年繁殖到400万株。 思考1：为什么植物组织培养可以进行快速繁殖？ 培养过程中细胞分裂速度较快，短时间获得大量组织细胞，经分割、移瓶、诱导再分化后形成大量新植株。且该过程在实验室进行，受季节、气候等条件限制较小。 思考2：为什么快速繁殖技术可以保持优良品种的遗传特性？ 扦插、压条、嫁接属于快速繁殖吗？ 扦插、压条、嫁接等是营养繁殖，也属于无性繁殖，但不属于微型繁殖技术。 该技术属于无性繁殖，培养过程中细胞有丝分裂、分化过程遗传物质保持不变，所获得的品种保持原优良品种的遗传特性。 马铃薯 草莓 香蕉 无性繁殖 病毒在作物体内积累 作物产量降低品质变差 2.作物脱毒 1.作物脱毒的原因： 作物病毒积累 感染的病毒很容易传给后代 普通草莓 脱毒草莓 一、植物繁殖的新途径 在传统农业生产中，用无性繁殖方式繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传给后代，病毒在作物体内逐年积累，导致作物产量降低、品质变差。 （1）作物脱毒选用什么材料？选择该种材料的理由是？ 植物分生区细胞病毒少，甚至没有病毒 分生区（如茎尖）的细胞 （2）脱毒过程： 脱毒苗 ≠ 抗毒苗 与微型繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。 茎尖 脱分化 愈伤组织 再分化 芽、根 试管苗 脱毒苗 移栽 抗毒苗： 抗病基因 导入 植物细胞 植物组织培养 完整植株 一、植物繁殖的新途径 （植物分生区细胞繁殖快速，病毒来不及侵入） 原因：经水浴处理后，再组织培养效果更好：因水浴处理可延缓病毒增殖和扩散速度。 （水浴处理） 脱毒苗 = 抗毒苗？ （3）优点：脱毒作物的产量和品质明显优于没有脱毒 的作物。 脱毒产品 脱毒草莓 普通草莓 甘蔗 未脱毒马铃薯 脱毒马铃薯 一、植物繁殖的新途径 脱毒马铃薯 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。 1．如图为培育甘蔗脱毒苗的两条途径，研究发现经②过程获得的幼苗脱毒效果更好。下列叙述错误的是(　　) A．植物体带叶原基的芽与其他部位的病毒含量相同 B．过程②的作用是使组织中的病毒在52 ℃、  38 ℃处理下部分或全部失活 C．过程③④所用培养基中生长素和细胞分裂素的含量和比例不同 D．最终获得的脱毒苗仍然不具备抗病毒的能力 　 趁热打铁 A 人工胚乳 胚状体或不定芽或顶芽或腋芽 【拓展】人工种子 胚 种皮 胚乳 天然种子 脱分化 再分化 愈伤组织 胚状体+人工胚乳 +人工种皮 外植体 人工种子 一、植物繁殖的新途径 人工种皮 思考：人工种子具有哪些优点？ 人工种子是以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。人工种子在适宜条件下同样能够萌发长成幼苗。 人工种子？如何制作的？ ①易于储藏和运输； ②保持优良品种的遗传特性； ③不受季节、气候和地域的限制； 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。 实例：芹菜、花椰菜、桉树和水稻人工种子 无机盐、有机碳源、农药、抗生素等。为了促进胚状体的生长发育，人工种皮还可以加入一些植物生长调节剂。 成分？ 实际问题： 传统的育种方法： 原理： 缺点： 传统方法： 杂交育种 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 ↓ × F2 A_S_ A_ss aaS_ aass 紫甜 第2年 第3年 × 生长 A_ss F3 第4年 通过杂交把两亲本的优良性状组合在同一后代中(基因重组) 杂交育种 多年纯化和选择，才得到符合理想要求的新品种。 如何解决育种时间过长的问题？ 选育出需要的纯种 二、作物新品种的培育 现有紫色非甜玉米（基因型AASS）和白色甜玉米（基因型aass），如何获得纯种的紫色甜玉米（基因型AAss）？ 设计筛选纯合的紫色甜玉米的实验思路。 (1)杂交育种 (2)单倍体育种 单倍体育种 单倍体 由生殖细胞直接发育而来，无论体细胞中含有几个染色体组一律称为单倍体。 ①成因： ②代表生物： ③特点： 由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而成。 蜜蜂中的雄蜂 植物枝叶茎杆弱小，果实多而小，一般高度不育（不是全部）。 （自然界中的单倍体生物） 卵细胞 → 雄蜂 二、作物新品种的培育 杂交育种 单倍体育种 紫色非甜玉米 AASS × 白色甜玉米 aass 紫色非甜玉米 AaSs ↓ AS As aS as 花药离体培养 单倍体幼苗： AS As aS as 纯合体: 秋水仙素处理 染色体加倍 AASS AAss aaSS aass 选择紫甜玉米即为新品种 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 × 选育出紫甜的纯种 F2 A_S_ A_ss aaS_ aass 紫甜 第2年 第3年 × 生长 A_ss F3 第4年 配子： P： 二、作物新品种的培育 1. 单倍体育种（以亲本为二倍体为例） （1）过程： 花药中的花粉 单倍体 幼苗 秋水仙素 处理 纯合体 筛选 优良性状 纯合体 愈伤组织 离体培养 脱分化 再分化 二、作物新品种的培育 花药离体培养 (植物细胞的全能性) 思考：单倍体育种的目的不是获得单倍体植株？ 育种原理？ 秋水仙素处理 (染色体数目变异) 能够抑制纺锤体的形成，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。 ①极大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力。 杂交育种培育一个可以稳定遗传的作物优良品种，一般不断自交选优，常需5～6年。而单倍体育种当年就能培育出所需纯合体。 ②后代都是纯合子，能稳定遗传。 ③可作为进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。 （4）实例： 单育1号烟草、水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物。 我国培育的单育1号烟草是世界上第一个单倍体作物新品种 大多数单倍体植株的细胞中只含一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性性状容易显现。 二、作物新品种的培育 （3）过程： 二、作物新品种的培育 2. 诱变育种 植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，容易受到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。 （1）产生原因： （2）过程： 诱变处理（紫外线，辐射） 新品种 愈伤组织 再分化 突变体 外植体 脱分化 筛选 培育 【思考】诱变处理的对象为什么要选择愈伤组织？产生的变异一定符合需要吗？ 愈伤组织细胞不断分裂，细胞要进行DNA分子复制，因此更易发生突变。不一定，因为突变是不定向的。 （3）原理：？ 突变(基因突变+染色体变异） 植物细胞的全能性。 二、作物新品种的培育 ④ 优点： ⑤ 缺点： 通过人工诱变提高愈伤组织的突变率，加快育种进程，大幅度地改良某些性状。 突变具有不定向性、多害少利和低频性，因此需要处理大量突变材料，并从中筛选出符合人们需要的品种。 ⑥ 实例： 已筛选出抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的新品种，如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。 抗除草剂白三叶草 抗花叶病毒的甘蔗 抗盐碱的烟草 2．如图所示为利用体细胞诱变技术获得抗除草剂白三叶草新品种的过程，下列叙述错误的是(　　) A．该育种过程所依据的原理有基因突变和植物细胞的全能性 B．为了充分利用营养物质，培养白三叶草组织细胞的培养基为固体培养基 C．白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中DNA和RNA种类相同 D．过程③通常采用的筛选方法是向白三叶草幼苗喷洒适宜浓度的除草剂 　 趁热打铁 C 四种育种方法的比较 育种方法 原理 主要过程 优点 快速繁殖 突变体 的利用 单倍体 育种 植物体细 胞杂交 植物细胞的全能性 脱分化、再分化 保持优良品种的遗传特性 基因突变、 植物细胞的全能性 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 植物细胞的全能性、染色体变异 花药离体培养、秋水仙素诱导染色体数目加倍 明显缩短育种年限 细胞膜的流动性、 植物细胞的全能性 原生质体融合、 杂种细胞组织培养 打破生殖隔离，实现远缘杂交 二、作物新品种的培育 三、细胞产物的工厂化生产 资料分析： 注意：紫杉醇是红豆杉属植物体内的一种次生代谢物，具有高抗癌活性。 思考·讨论：能不能运用植物细胞工程技术来生产紫杉醇？ 阅读教材P41，解决下列问题： 1.植物的代谢产物有哪些？有用途？ 2.什么是植物细胞培养？ 3.细胞产物的工厂化生产具有哪些应用优势？ 4.细胞产物的工厂化生产实例有哪些？ 1. 植物的代谢产物 植物代谢 初生代谢： 次生代谢： 生物生长生存所必需的代谢活动，整个生命过程一直进行。 不是植物基本生命活动所必需的，一般在特定的组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行 产物 如糖类、脂质、蛋白质、核酸等。 产物 应用 一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等） 缺点 a、在植物抗病、抗虫方面发挥作用 b、也是很多药物、香料和色素等的重要来源 应用多、产量低 三、细胞产物的工厂化生产 含量很低，从植物组织中提取会大量破坏植物资源，有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到。 利用植物细胞培养来获得目标产物 细胞产物的工厂化生产 区别？ 三、细胞产物的工厂化生产 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： 植物细胞培养（细胞增殖）： 2. 细胞产物的工厂化生产 (1) 概念：利用植物细胞培养来获得目标产物，这个过程就是细胞产物的工厂化生产。 植物组织培养技术 外植体 脱分化 愈伤组织 细胞悬液 细胞产物 培养、提取、破碎 分散开 去壁 （液体培养基） (3) 过程: 注意： ① 材料？ ②培养基？ 一般培养到愈伤组织即可。因为此时细胞分裂旺盛，代谢快，有利于产物生成。 （液体培养液）有利于培养的细胞与营养物质充分接触。 脱分化 培养选择 破碎细胞 放入发酵罐 工厂化生产人参皂苷干粉的基本流程 人参根 愈伤组织 增长速度快且人参皂苷含量高的细胞 细胞增殖 人参皂苷粉 用于植物细胞培养的反应器 三、细胞产物的工厂化生产 (4) 细胞产物工厂化生产实例： 三、细胞产物的工厂化生产 (4) 实例： 紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。 紫杉醇——具有高抗癌活性，已被用于乳腺癌等癌症的治疗 紫草宁——具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性 人参→人参皂苷 紫草→紫草宁 红豆杉→紫杉醇 (5)优点： 它不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。 3．下列关于细胞产物的工厂化生产的叙述，错误的是(　　) A．培养的细胞收集后一般要破碎并提取有效成分 B．细胞产物的工厂化生产是植物细胞工程的重要用途之一 C．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 D．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 趁热打铁 D 植物组织培养和植物细胞培养的比较 比较项目 植物组织培养 植物细胞培养 目的 原理     过程 应用 植物细胞的全能性 细胞增殖 获得植物体 获得细胞产物 快速繁殖、作物脱毒、单倍体育种等 细胞产物的工厂化生产，如紫草宁、人参皂苷、紫杉醇等 三、细胞产物的工厂化生产 外植体 ↓ 愈伤组织 ↓ 胚状体 ↓ 试管苗 ↓ 植株 再分化 +人工种皮 +人工胚乳 人工 种子 保持优良性状 快速大量繁殖 微型 繁殖 作物 脱毒 选择根尖 茎尖、芽尖 脱分化 选择花粉 培养 单倍体 纯合体 加倍 单倍体育种 化学物理因素诱导筛选 突变体利用 培养、提取 代谢产物 ③细胞产物的工厂化生产 ①植物繁殖新途径 ②作物新品种的培育 课堂小结 1．植物细胞工程的应用取得了显著的社会效益和经济效益，以下对应正确的是(　　) A．植物快速繁殖技术——打破生殖隔离 B．单倍体——体细胞诱变育种的材料 C．植物体细胞杂交技术——精准控制成体性状 D．细胞产物的工厂化生产——体现了植物细胞全能性 课后训练 B 2．(2024·渝东期中)南方某水果基地为了快速培养甘蔗，拟采用植物组织培养技术，其技术路线为“取材→消毒→愈伤组织培养→出芽→生根→移栽”，下图是该过程中出现的不同结果。下列有关叙述正确的是(　　) A．外植体经消毒后需用无菌水多次冲洗，以避免消毒剂长时间作用而产生毒害作用 B．整个培养过程需要适宜的温度和一定的营养条件，不需要光照 C．B先通过脱分化得到A，再通过再分化得到C D．生根、生芽时，培养基只需要α­萘乙酸等生长素类调节剂 课后训练 A 3．现有甲、乙两种二倍体纯种植物，甲植物的光合作用产量高于乙植物，但乙植物更适宜在盐碱地种植，相关性状均由核基因控制。现要利用甲、乙两种植物培育出高产、耐盐的植株。下列技术不可行的是(　　) A．利用植物体细胞杂交技术，可以获得符合要求的异源四倍体杂种植株 B．将乙种植物耐盐基因导入甲种植物的体细胞中，可培育出所需植株 C．两种植物杂交后，得到的F1再利用单倍体育种，可较快获得所需植株 D．诱导两种植物的花粉融合后培育成幼苗，再用秋水仙素处理可培育出所需植株 课后训练 C　 4．人参是名贵的中药材，但长期以来，由于过度采挖，野生人参濒临灭绝。研究人员利用植物组织培养技术，实现了人参的快速繁殖(如图)。下列叙述错误的是(　　) A．同一株人参不同根细胞经培养获得的新的人参植株的基因型相同 B．①号培养瓶使用液体培养基且可用胰蛋白酶处理使外植体分散成单个细胞 C．②、③号培养瓶的培养液成分中植物激素的比例有所不同 D．利用射线等诱变因素处理②培养瓶中的细胞团并进一步培养可获得突变体 课后训练 B 5．下图表示植物细胞工程中利用愈伤组织培育植株或得到细胞产物的过程。下列叙述正确的是(　　) A．利用花粉通过②⑤过程获得植株B的育种方法称为单倍体育种 B．植物的快速繁殖技术和脱毒苗的获得均需通过①④过程 C．可通过⑧过程获得人参皂苷，该过程体现了植物细胞的全能性 D．③⑦过程可用于突变体的获取，原因是诱变剂使细胞发生了定向突变 课后训练 B 6．马铃薯是一种重要的经济作物，传统的繁殖方式感染病毒严重，导致产量大大降低。科研人员利用种苗脱毒技术可有效解决这个问题，基本操作流程如下： 配制培养基→外植体的取材和消毒→剥离和接种→培养和移栽→结果检测 请回答下列问题： (1)该技术称为_________________，其理论基础是_____________________。 (2)利用种苗脱毒技术培育马铃薯，常用的培养基有脱分化培养基、生芽培养基、生根培养基。这三种培养基的主要差异是____________________________________________________________________________________________________________________。 (3)在培育过程中，选取的外植体是__________，原因是____________________________________________。 (4)脱毒马铃薯的产量要比未脱毒马铃薯的产量________。 课后训练 植物组织培养 植物细胞的全能性 诱导愈伤组织形成和诱导愈伤组织分化形成试管苗所需的生长素和细胞分裂素的比例不同 茎(芽)尖 茎(芽)尖病毒极少，甚至无病毒 高 7. 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。 课后训练 FormatFactory : www.pcfreetime.com Lavf58.20.100 $$