2.1.2植物细胞工程的应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第2章 细胞工程 第1节 植物细胞工程 2.1.2 植物细胞工程的应用 植物细胞工程在生产实践中有哪些应用？ 植物细胞工程应用于生产实践的主要优势是什么？ 本节聚焦 1 2 背景：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？ 【从社会中来】 1.定义：用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。也叫微型繁殖技术。 3.实例： 一些优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物和濒危植物等。 2.优点： ①可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖； ②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； ④培养周期短。 生菜 植物繁殖的新途径-快速繁殖 无籽西瓜 蝴蝶兰 甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产，已形成一定规模。 铁皮石斛的产业化育苗 植物繁殖的新途径-快速繁殖 深度思考 1、为什么植物微型繁殖技术可以优良品种的遗传特性？ 2、为什么马铃薯、草莓和香蕉的产量会越来越低，品质会越来越差？ 植物组织培养过程中细胞只进行有丝分裂，因此是一种无性繁殖的技术；无性繁殖的后代其遗传物质组成与亲代保持一致。 这些作物通常使用无性繁殖的方式进行繁殖，他们传染的病毒很容易传给后代； 病毒在作物体内逐年积累，就会导致产量降低，品质变差。 实际问题：生姜是药食两用的经济作物，在生产上长期采用无性繁殖，容易感染多种病毒病，使生姜品质变差，叶子皱缩，生长缓慢，一般减产30%-50%。 病毒引起的植物病害有500多种。受害植物包括粮食作物、蔬菜、果树和花卉等。而且没有有效的防治办法，只能拔除，造成经济损失。病毒多集中在种子、老叶等器官中，在幼嫩的器官和未成熟的组织中较少，在分生区几乎不含病毒。 深度思考 马铃薯 1.脱毒原因： 草莓 香蕉 无性繁殖 植物繁殖的新途径-作物脱毒 ①无性繁殖的作物，容易将病毒传染给后代。 ②病毒积累，导致作物产量降低、品质变差。 2.取材： 顶端分生区（如茎尖、根尖） 理由： 病毒极少，甚至无病毒 3.方法： 切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗 4.实例： 马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等 脱毒苗 ≠ 抗毒苗。 植物繁殖的新途径-作物脱毒 抗毒苗 把某抗病基因导入植物细胞，再发育成植株 脱毒苗 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 细胞工程 基因工程 实际问题：传统的育种方法是通过杂交把两亲本的优良性状组合在同一后代中。 缺点是：要不断进行(多年)纯化和选择，才得到一种符合理想要求的新品种。 如何解决育种时间过长的问题？ P： 高杆抗病 DDTT × 矮杆感病 ddtt F1 高杆抗病 DdTt ↓ 第1年 ↓ × 选育出需要的矮抗纯种 F2 D_T_ D_tt ddT_ ddtt 矮抗 传统方法： 杂交育种 第2年 第3年 × ddTT F3 第4年 深度思考 1.方法： 花药离体培养 人工诱导染色体加倍 2.步骤： 优良品种 花药 花粉 离体培养 单倍体 纯合二倍体 人工诱导 染色体加倍 选择 作物新品种的培育 单倍体育种 3.原理： 植物细胞的全能性 染色体数目变异 4.优点： 作物新品种的培育 单倍体育种 ①极大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力 原因：杂交育种选育出一个可以稳定遗传的作物优良品种，一般要经过5-6年的连续筛选，而单倍体育种当年就能培育出相对性状稳定的纯合植株； ②可作为进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料 原因：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 明显地缩短 育种年限 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 4.实例： 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。 作物新品种的培育 单倍体育种 1.原理： 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，因此它们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。从突变的个体中筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。 外植体 愈伤组织 试管苗 脱分化 再分化 植株 诱变 筛选 有用的突变体 作物新品种的培育 突变体的利用 突变（基因突变或染色体变异） 植物细胞的全能性 2.利用： 外植体 愈伤组织 试管苗 脱分化 再分化 植株 诱变 筛选 有用的突变体 作物新品种的培育 突变体的利用 对植物组织培养过程中得愈伤组织进行诱变处理，促其发生突变，诱导分化成植株，筛选对人们有利突变体,进而培育新品种 3.优点： 提高变异的频率，加速育种进程。大幅度地改良某些性状。 难以控制突变方向，有利性状比较少，需要大量处理实验材料。 4.缺点： 5.实例: 作物新品种的培育 突变体的利用 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等 1.植物的代谢产物: 在植物的抗虫、抗病等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。 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。 细胞产物的工厂化生产 初生代谢：生物生长生存所必需的代谢活动。 产物：如糖类、脂质、蛋白质、核酸等。 次生代谢：非生物生长所必需，在特定条件下进行。 产物：一类小分子有机化合物。 2.植物细胞培养： 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。 外植体 愈伤组织 细胞悬液 脱分化 振荡分散 细胞悬浮培养 细胞产物 提取 细胞产物的工厂化生产 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旺盛，代谢快，有利于产物生成。 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。 3.实例： 工厂化生产人参皂苷干粉的基本流程： 人参根 　 愈伤组织 　 　 增长速度快而且细胞内人参皂苷干粉含量高的细胞 细胞增殖　　 提取人参皂苷干粉 脱分化 培养选择 破碎细胞 放入发酵罐 细胞产物的工厂化生产 3.实例： 紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。 红豆杉→紫杉醇 紫草→紫草宁 人参→人参皂苷 细胞产物的工厂化生产 4.优点： 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。 “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和营养物质，它们就能在玻璃瓶中生长三四个月之久。 “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。 【到社会中去】 外植体 愈伤组织 试管苗 脱分化 再分化 植株 作物脱毒 选择顶端分生组织 快速繁殖 单倍体育种 选择花药 进行诱变 突变体的利用 分散后 悬浮培养 3.细胞产物的工厂化生产 2.植物新品质的培育 1.植物繁殖的新途径 筛选 课堂小结 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 细胞产物的工厂化生产 ③ ①植物繁殖新途径 ②作物新品种的培育 练习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。下列相关叙述错误的是(　　) 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 D．培养基A、B中生长素和细胞分裂素的含量和比例不同 C 解析：取芽进行培养是因为芽具有较高的分裂和分化能力，A正确；经过热水处理脱毒效果好可能与阻碍病毒进入有一定的关系，B正确；图中③和④为再分化过程，C错误；诱导生芽和诱导生根的培养基中生长素和细胞分裂素的含量和比例不同，D正确。 练习2．下列关于育种的说法，正确的是(　　) 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 D 练习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 C 解析：杂交育种的原理是基因重组，基因重组发生在亲本减数分裂产生配子过程中，A项错误；单倍体育种的原理是染色体变异，所用方法是花药离体培养，优点是能明显缩短育种年限，B项错误；秋水仙素和低温都能抑制纺锤体的形成，作用于有丝分裂前期，C项错误；培育高产青霉素菌株属于诱变育种，原理是基因突变，发生在分裂间期，D项正确。 练习4．下列关于细胞产物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．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，一般要破碎提取其有效成分 C 练习5．如图是利用某植物(基因型为AaBb)产生的花粉进行单倍体育种的示意图，据图判断错误的是(　　) A．过程②通常使用的试剂是秋水仙素，作用时期为有丝分裂前期 B．通过过程①得到的植株既有纯合子又有杂合子 C．过程①属于植物的组织培养，在此过程中必须使用一定量的植物激素 D．与杂交育种相比，该育种方法的优点是能明显缩短育种年限 B 解析：细胞产物的工厂化生产是植物细胞工程的重要用途之一，A正确；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，B正确；愈伤组织不需要再分化就能产生特定的细胞产物，C错误；培养的细胞收集后，一般要将其破碎提取有效成分，D正确。 练习6．紫草素是紫草细胞的次生代谢产物，可作为生产治疗烫伤药物的原料。研究人员欲通过植物细胞培养技术生产紫草素，下列相关操作不合适的是 (　　) A．对作为外植体的紫草叶片进行消毒处理既可保证细胞活性也可减轻污染 B．培养基中要加入植物激素保证已分化的植物细胞脱分化形成愈伤组织 C．调节植物激素的种类和比例以保证愈伤组织再分化并得到完整的植株 D．在培养细胞的过程中要不断通入无菌空气以保证氧气的充足供应 C 解析：外植体消毒既可保证细胞活性也可减轻污染，A正确；脱分化过程需要生长素和细胞分裂素的共同调节，B正确；生产紫草素利用的是愈伤组织，不需要进行再分化过程，C错误；培养过程中要保证无菌的环境，D正确。 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（ ） 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 √ × D 练习与应用 1.紫色非甜玉米（基因型为AASuSu）和白色甜玉米（基因型为aasusu）杂交（Su和su代表一对等位基因），得到的F（AaSusu）再进行自交，F，会有紫色甜玉米的表型产生。如果运用常规育种方法，应该如何筛选出纯合的紫色甜玉米?如果利用花药培养的技术，又应该怎样做呢?请你设计相关实验的思路。 提示：F2中的紫色甜玉米的基因型可能为 Aasusu或AAsusu。如果运用常规育种方法，将F2中的紫色甜玉米与白色甜玉米（aasusu）进行测交，可以选择出基因型为AAsusu的纯种紫色甜玉米。但这种方法比较烦琐，耗时也较长，需要至少三年的选种和育种时间。其实在F1产生的花粉中就可能有Asu的组合，如果利用花药培养的技术获得单倍体植株。再经过诱导染色体加倍，就可以直接得到紫色甜玉米的纯合体。这种方法可以大大缩短育种周期。 练习与应用 二、拓展应用 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 二、拓展应用 $$