2.1.3 植物细胞工程（第3课时）（情境教学课件）-【大单元教学】高二生物同步备课系列（人教版2019选择性必修3）

第2章 细胞工程 第1节 植物细胞工程 第3课时 植物细胞工程的应用 高中生物学 | 人教版（2019）| 选择性必修3·生物技术与工程 鬼兰 因繁殖困难且生长环境特殊，野生鬼兰数量极为稀少，被列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》，严禁非法采集和贸易。 千古幽贞是此花，不求闻达只烟霞。 采樵或恐通来路，更取高山一片遮。 ——清·郑板桥《高山幽兰》 课程标准内容要求 素养目标 举例说明植物细胞工程利用快速繁殖、脱毒、次生代谢物生产、育种等方式有效提高了生产效率。 1.科学思维：说明植物组织培养和植物体细胞杂交的原理；以流程简图的形式表示植物组织培养技术和植物体细胞杂交的过程。 2．科学探究：查阅资料，尝试探究植物生长素和细胞分裂素使用比例对植物组织培养的影响。 教学目标 课程标准内容、素养目标 植物繁殖的新途径 1 作物新品种的培育 2 目录 CONTENTS 细胞产物的工厂化生产 3 目录页 4 一、植物繁殖的新途径 有性繁殖的特点：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。 无性繁殖的特点：保持原品中的优良性状，但易将病毒传给后代，造成减产。 走进社会 传统农业作物繁殖途径 用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。 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。 概念： 特点： 1960年，荷兰科学家通过对兰花茎尖进行培养，获得了快速繁殖的脱毒兰花，随后在国内外进行了“兰花试管苗产业化”。 1.快速繁殖 一、植物繁殖的新途径 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 根、芽 试管苗 快速繁殖实际上是一种无性繁殖。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。 1.快速繁殖 一、植物繁殖的新途径 快速繁殖优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物和濒危植物等。 应用： 【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。铁皮石斛富含某种糖类和生物碱，可以用来提取药物。具有重要的药用价值和经济价值。 一、植物繁殖的新途径 思考 1.为什么植物组织培养可以进行快速繁殖？ 植物组织培养到愈伤组织阶段，细胞进行有丝分裂，细胞分裂速度较快，从而获得大量的组织细胞，然后不断地分割、移瓶、诱导再分化形成新植株，且植物组织培养在实验室进行，受季节、气候等条件限制较小。 2.为什么快速繁殖技术可以保持优良品种的遗传特性？ 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。 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。 3.扦插、压条、嫁接属于快速繁殖技术吗？ 2.作物脱毒 一、植物繁殖的新途径 脱毒的原因： 用无性繁殖的方式进行繁殖的作物，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，就会导致作物产量降低、品质变差。 选材： 植物顶端分生区附近（如茎尖） 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。 方法： 切取茎尖进行组织培养获得脱毒苗。 （即：茎尖组织培养技术） 优点： 脱毒作物的产量和品质明显优于没有脱毒的作物。 2.作物脱毒 一、植物繁殖的新途径 植物繁殖的新途径 1 作物新品种的培育 2 目录 CONTENTS 细胞产物的工厂化生产 3 目录页 11 二、作物新品种的培育 活动 小麦的育种 现有纯合的高秆抗病小麦（DDTT）和矮秆感病小麦(ddtt)。怎样尽快得到纯合的矮秆抗病的优良品种(ddTT)？你能 想到几种育种方法？ 常规选育出一个可稳定遗传的作物优良品种，一般要经过5～6年的连续筛选。缺点：耗时长 优点：操作简单 明显缩短育种年限 不是 二、作物新品种的培育 1.单倍体育种 花药取自二倍体植株，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。 方法： 离体培养 人工诱导 染色体加倍 选择 单倍体：由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而来的个体。单倍体植株矮小，而且一般高度不育。 二、作物新品种的培育 1.单倍体育种 过程： 秋水仙素 处理 筛选 花药中的花粉 单倍体 幼苗 纯合体 优良性状 纯合体 愈伤组织 离体培养 脱分化 再分化 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（种子阶段或幼苗阶段）的染色体数目加倍。 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。 注意 二、作物新品种的培育 1.单倍体育种 原理： 优点： （其中花药离体培养的原理是植物细胞的全能性） ①明显缩短育种年限，节约大量的人力和物力。 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。 染色体数目变异 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。 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。 ②二倍体的子代全是纯合子，自交后代不发生性状分离，能稳定遗传。 二、作物新品种的培育 1.单倍体育种 应用： ①1974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。 ②与常规育种结合，育成水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等新品种。 二、作物新品种的培育 2.突变体的利用 突变体的来源： 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。从产生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。 过程： 秋水仙素 处理 外植体 突变体 新品种 愈伤组织 离体培养 脱分化 诱导 再分化 诱变处理（紫外线，辐射） 二、作物新品种的培育 2.突变体的利用 原理： 基因突变和植物细胞的全能性。 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。 突变具有不定向性和低频性，有利性状比较少，需要大量处理实验材料。 缺点： 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。 植物繁殖的新途径 1 作物新品种的培育 2 目录 CONTENTS 细胞产物的工厂化生产 3 目录页 19 三、细胞产物的工厂化生产 【资料】紫杉醇是从红豆杉的树皮分离提纯的天然次生代谢产物，经临床验证，具有良好的抗肿瘤作用，特别是对癌症发病率较高的卵巢癌、子宫癌和乳腺癌等有特效。紫杉醇是近年国际市场上最热门的抗癌药物，被认为是人类未来20年间最有效的抗癌药物之一。 近年来地球人口和癌发率呈爆发性增长，对紫杉醇的需求量亦明显增大。临床和科研所需的紫杉醇主要是从红豆杉中直接提取，紫杉醇在植物体中的含量相当低，造成了对红豆杉的大量砍伐，致使这种珍贵树种已濒临灭绝。紫杉本身资源很贫乏，而且红豆杉属植物生长缓慢，这对紫杉醇的进一步开发利用造成了很大的困难。 三、细胞产物的工厂化生产 1.植物的代谢产物 初生代谢物： 初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，整个生命过程一直进行。初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质、核酸等。 次生代谢不是生物生长所必需的，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。次级代谢物是一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等）。 次生代谢物： 细胞产物的工厂化生产的目标产物 三、细胞产物的工厂化生产 1.植物的代谢产物 次生代谢物的应用： 在植物抗病、抗虫方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。 次生代谢物工厂化生产的原因： ①植物次生代谢物含量很低； ②从植物组织提取会大量破坏植物资源； ③有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到。 三、细胞产物的工厂化生产 2.细胞产物的工厂化生产 概 念： 是指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。 流 程： 培养基： 液体培养基（使培养物与培养液充分接触）。 原 理： 细胞增殖 培养 外植体 细胞悬液 细胞悬浮培养 愈伤组织 脱分化 震荡分散 提取 细胞产物 植物细胞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。 三、细胞产物的工厂化生产 2.细胞产物的工厂化生产 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。 实 例： 红豆杉 → 紫杉醇 人参 → 人参皂苷 紫草 → 紫草宁 拓展延伸 植物细胞培养与植物组织培养技术的区别 项目 植物组织培养 植物细胞培养 目的 获得植物体 获得细胞及产物 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 实例 植物快速繁殖技术、脱毒苗 细胞产物的工厂化生产 原理 优点 缺点 诱变育种 基因突变或染色体变异和植物细胞的全能性 提高生物变异的频率，可产生新基因，大幅度改良某些性状，缩短育种年限 盲目性大，需大量的突变材料 杂交育种 基因重组 使存在于不同个体的优良性状集中于一个个体上 周期长，难以克服远缘杂交不亲和的障碍 单倍体育种 染色体变异和植物细胞的全能性 获得的个体均为纯种，明显缩短育种年限 技术复杂，多用于植物 多倍体育种 染色体变异 可提高产量和某些营养成分，增大果实 只适用于某些植物，在动物中难以开展，且植物结实率低 植物体细胞杂交育种 细胞膜的流动性和植物细胞的全能性 克服了远缘杂交不亲和的障碍，扩大了用于杂交的亲本组合范围，定向改变生物的遗传性状 不能完全按人们的需要表现出亲代的优良性状 拓展延伸 几种育种方法的应用 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、筛选 突变体的利用 分散后 悬浮培养 细胞产物的工厂化生产 植物新品质的培育 植物繁殖的新途径 课堂小结 1．合理使用植物激素，可有效调控植物组织的生长和分化，从而实现植物高效繁殖和遗传改良。下列叙述正确的是（     ） A．从母本植株上选取茎尖、叶片进行组织培养可获得脱毒苗 B．调节生长素和细胞分裂素的比例可诱导愈伤组织分化为试管苗 C．在脱分化阶段需用纤维素酶和果胶酶处理以获得单个细胞 D．脱分化和再分化过程中都需要一定强度光照以提供能量 随堂训练 B 随堂训练 2．虾青素是具有抗癌、抗氧化等多种药理活性的蛋白质类次生代谢物，主要由藻类植物、水产动物等产生。在进行工厂化生产时，先诱导水稻外植体形成愈伤组织，再制备水稻胚乳悬浮细胞，并于生物反应器中生产获得虾青素。下列叙述错误的是（     ） A．实验者需将虾青素基因与特异性表达的启动子重组 B．在悬浮培养前，需用蛋白酶将胚乳细胞彼此分离 C．要诱导愈伤组织形成，需在培养基中加入植物激素 D．虾青素并非是水稻生长和生存所必需的代谢产物 B 随堂训练 3．香水稻具有香味浓郁（DD）、高产（EE）等优良性状，但是不抗除草剂（gg），已知三对性状独立遗传，为培育香味浓郁、高产、抗除草剂（DDEEGG）的优良品种，研究者设计了如图所示育种流程。下列相关叙述正确的是（     ） A．①过程所用的方法可提高突变率，获得多种优良变异类型 B．②过程由成熟花粉细胞培养成幼苗期间，非等位基因会发生自由组合 C．②③过程为单倍体育种，用秋水仙素处理幼苗，抑制细胞分裂时着丝粒的断裂 D．④⑤过程育种的原理为基因重组，能够按需选择，产生新基因和新性状 A 随堂训练 4．植物细胞悬浮培养是指将游离的单细胞或细胞团按照一定的细胞密度悬浮在液体培养基中培养。可利用这种技术制备生物反应器，获得植物细胞和次生代谢物。下列相关叙述正确的是（　　） A．获得单个植物细胞需用胶原蛋白酶进行处理 B．次生代谢物是植物基本生命活动所必需的物质 C．悬浮培养形成细胞团的过程体现了植物细胞的全能性 D．利用悬浮培养技术生产次生代谢物可减少植物资源的消耗 D 感谢聆听！ 高中生物学 | 人教版（2019）| 选择性必修3·生物技术与工程 32 Lavf58.46.101 Lavf58.46.101 Lavf58.46.101 $$我是唐山市农科院蔬菜所的科研人员张文阳。看我手上拿的这株小苗，看起来柔柔弱弱，其实是代表了唐山市农业领域的一项突破性技术。如果这项技术得到推广，可以为种植草莓、甘薯、生姜等作物的农民朋友们带来丰厚的回报。这项新技术就是草莓、甘薯和生姜等植物的兔兔苗生产和组织培养快繁技术。首先，脱毒苗的生产第一步是取材，我们会挑选生长健壮、无明显病虫害的植株，从它上面取下颈肩组织。这个颈肩是很关键的，因为在植物体内病毒分布的不均匀，茎尖是植物的生长点部分，病毒在植物体内扩散的速度比不上生长点生长的速度，所以茎尖部分几乎不含病毒。选取茎尖时要保证严格的无菌操作，对实验操作的精度要求极高。取下镜头后就进入了组织培养阶段，我们会把镜头放在无菌的培养基上，提供适宜的温度、光照和营养物物质，让它慢慢的生长，进一步分化，在这个过程中需要非常的细心，稍有不慎就可能导致会培养失败。在经过一段时间的培养后，茎尖就会发育成小蜘蛛，这就是我们初步得到的草莓脱毒苗。在不同的培养阶段，我们会使用不同的培养基，诱导茎尖分化出不定芽，进而长成幼苗。当幼苗长到一定阶段后，就可以进入快繁的这环节，可在短时间内获得大量的脱毒苗待兔兔苗生根后就可以进行驯化。在驯化大棚中，通过逐渐降低大棚的湿度，提高光照强度等措施，使脱毒苗尽快的适应环境，一般驯化周期为半个月左右，以此来提高移栽后的成活率。这就是这项技术的全部流程。大家好，我是唐山市农科院蔬菜所的吴世静。像草莓香甜可口，甘薯营养丰富，生姜可以药用，是日常生活中常见的一种调味品。但是大家知道吗？在种植过程中，以上三种作物容易受到病毒的侵害，会给种植户造成严重的经济损失，造成减产。但是最后我们可以通过颈尖脱毒技术解决这种问题。草莓作为坚果类作物的代表，它的脱毒苗的培育是现代农业的典范，通过茎尖脱毒技术培育的种苗油获新生，其植株的高度净化后展现出惊人的生长潜能。实验数据显示，脱独苗较传统苗株可增产30%以上，单果重量提升20%到35%，可溶性固形物含量增加1.5到2个百分点。也就是说，它脱毒苗的产量高、口感好，也更甜。相较于地表作物，甘薯和生姜面临的挑战更为严峻。土传病害和根结线虫构成的地下威胁联盟，每年导致我国薯类作物减产15%到30%，脱毒苗通过双重防护机制能够破解困局。当我们品尝草莓的甜蜜，感受姜茶的暖意时，不应忘记，每份自然馈赠的背后，都凝聚着现代农业科技智慧的光芒。希望大家多多关注农业科技进步，一起为农业发展助力。 在中国这片古老而神奇的土地上，每一片叶子都承载着故事，每一朵花都绽放着文化。12月大雪已过，一年中长，这个季节里开花的植物并不多，而有这么一株小小的高冷雅士，在天气越冷时，它花开越香，日夜温差越大时，它的香味越浓。在远离尘嚣的幽谷深处，兰正在静静的生长，这里是兰花的王国。兰科植物的种类高达2至3万，在中国主要分布于江苏、安徽、浙江、云南等地，共有1700多种，形态各异。相较于绚丽的外来品种，中国园林中的兰花显得极为内敛。一方水土养育一方植物，一方植物养育一方人，但究竟是什么魅力能让中国人即使不在其花期，也要在屋角、厅堂、案头、书柜都摆上一盆兰呢？千古幽贞是此花，不求闻达只烟霞。彩樵或恐通来路，更取高山一片遮。兰花不仅是大自然的杰作，更是中国文化中一个重要的精神符号。自古以来，兰花就被赋予了高洁清雅的品质，成为文人墨客笔下的常客，记录着兰花与中国人精神的深刻连接。兰花的香气清新悠远，但仅凭香气远不足以达到如今的高度。它在中国文化中的美丽意象与它生长的环境也密切相关。身在幽静的森林空谷，兰花却不以无人而不芳。在中国文人看来，这是一种不向外界寻求认同的独立精神。他们认为兰花是一种修身养性的植物，最晚在唐代，兰花从幽深的空谷正式被引入文人的庭院，离开了能让他肆意生长的森林，被移植在花盆内。三千多年前，岚这个字首次出现在文字记载中，泛指所有芳香的草本植物。但当它引起文人们的共情，这个象征着高雅和美好的字，从此被特指给了这株小小的兰花。 迷你快繁是植物组织培养在生产上应用最广泛的一个植物。植物离体快繁有一个特点是繁殖系数大中年生产，而且这个苗木整齐一致，更重要的是它的繁殖速度特别快。利用这项技术在一株苗在一年内可以繁殖几万株到几百万猪，是不是感觉特别的惊讶？像我们平常葡萄一株一年可以繁殖到3万多株，兰花然后一年可以繁殖到400万株，像草莓的话繁殖的就更多了。一个草莓的顶芽在一年内可以繁殖出一个亿的一个。第二像这种技术对于一些繁殖系数低无法用种子培育的一些名贵的作物，或者一些濒临灭种的一些新奇的作物尤为重要。目前园艺上提供的一些作物，都是采用这个植物离体快繁提供的苗木。