2.2 植物细胞工程的应用-【步步高】2023-2024学年高二生物学选择性必修3 生物技术与工程（苏教版）

第二节　植物细胞工程的应用 [学习目标]　1.通过对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的优势。2.认同植物细胞工程在生产实践中具有重要的应用价值。 一、植物组织培养技术的应用 1．人工种子 (1)概念：将在植物组织培养中得到的胚状体和具有养分的人工胚乳包埋在具有保护功能的人工种皮中，在适宜的条件下能够生根发芽的颗粒体。 (2)基本结构 (3)生产过程 ①植物组织培养获得胚状体。 ②人工种皮对胚状体和人工胚乳的包埋。 (4)优点 ①制种快。 ②制种不受季节限制。 ③人工胚乳可提供更好的营养供应，还可提供相应成分增强抵抗疾病的能力。 2．快速繁殖 (1)保持优良植物品种的遗传特性。 (2)繁殖速度快。 (3)不受季节和恶劣天气的影响。 (4)可以进行全年连续生产，大大提高了生产效率。 3．培育脱毒植物 (1)选材部位及原因：植物生长点部位的病毒浓度很低甚至无病毒。 (2)优点：可以降低或者去除病毒的感染。 (3)实例：马铃薯、甘蔗、草莓等。 (4)方法 ①物理方法 a．高温处理又称热疗法，其原理是一些病毒对热不稳定。 b．低温处理又称冷疗法，其原理是降低温度，使病毒活力下降。 ②化学方法：一般指利用嘌呤和嘧啶类似物或抗生素等化学药品处理患病植株的方法，其原理是抑制植物体内病毒的复制。 ③生物方法 4．种质保存 (1)保存材料：植物的悬浮细胞，愈伤组织或胚状体，还包括原生质体、花粉、幼胚、芽或茎尖分生组织等。 (2)原理：细胞、组织、器官在超低温保存过程中不会引起遗传性状的改变，也不会丧失形态发生的潜能。 (3)优点：比保存植物的种子更为有利和经济，还能在需要的时候迅速且大量地繁殖植物。 判断正误 (1)快速繁殖不仅可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖，还可以保持优良品种的遗传特性 (　　) (2)作物脱毒后不再感染病毒(　　) (3)人工种子的基本结构包括人工种皮、胚状体和人工胚乳(　　) (4)植物生长点部位没有维管束，病毒难以进入，因此这些部位病毒浓度很低甚至无病毒(　　) 答案　(1)√　(2)×　(3)√　(4)√ 任务一：植物组织培养技术应用的分析 1．结合如图人工种子的结构示意图，思考：人工种子的胚状体和常规种子的胚在来源上有何区别？ 提示　人工种子的胚状体是无性繁殖的结果，常规种子的胚是有性繁殖的结果。 2.如图为兰花的微型繁殖，思考：从植物体上获取的任何细胞，经组织培养得到的植株与亲本性状一定都完全一致吗？并说明理由。 提示　不一定；若培养植物的花粉细胞，得到的是单倍体，与亲本性状不完全一致。 3．经植物组织培养技术培育出的脱毒苗抗病毒吗？并说明理由。 提示　不抗病毒；“脱毒”与“抗毒”不同，前者指的是本身病毒浓度很低甚至无病毒，受病毒感染的机会少，而后者指的是能抵抗病毒的感染。 4．结合1、2说出微型繁殖和人工种子共同的优点是什么？ 提示　可在具有一定人工设施的室内生产，不受季节、气候和地域等自然条件的限制。 　比较两种植物繁殖新途径 繁殖新途径 取材 优点 技术 快速繁殖(微型繁殖) 取材广泛 (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 植物组织培养 作物脱毒 生长点部位 获得高产、优质的无病毒植物 1.如图为人工种子的示意图，下列有关叙述不正确的是(　　) A．与常规种子繁殖方法相比，人工种子具有繁殖速度快的优点 B．人工种皮应具有透气性，保证胚状体细胞呼吸的正常进行 C．胚状体是经过脱分化形成的，此时细胞处于未分化状态 D．人工胚乳中应含有植物激素、糖类、水和无机盐等物质 答案　C 解析　与常规种子繁殖方法相比，人工种子能够保持植物本身的遗传特性，且繁殖速度较快，A正确；人工种皮具有透气性，从而保证胚状体可以获得足够的氧气，B正确；胚状体是再分化得来的，此时的细胞是已分化的细胞，C错误；人工胚乳中含有植物激素、糖类、水和无机盐等物质，可以保证种子正常的生命活动，D正确。 2．(多选)烟薯－25是一种甜度大、抗病力强、产量高的红薯。它是通过无性繁殖获得的作物，多代繁殖后病毒会在体内积累，导致含糖量不足，产量下降。大面积栽培时，一般都用脱毒苗。下列有关脱毒苗培育过程的叙述，正确的是(　　) A．脱毒苗培育过程的原理是植物细胞具有全能性 B．脱毒苗培育过程需经历脱分化和再分化两个阶段 C．脱分化和再分化的培养基成分是相同的，但两个阶段光照条件不同 D．培育脱毒苗应选用生长点部位，因为分裂旺盛，所含的病毒少 答案　ABD 解析　脱毒苗的培育采用了植物组织培养技术，该技术的原理是植物细胞具有全能性，A正确；脱毒苗培育过程是植物组织培养的过程，需经历脱分化和再分化两个阶段，B正确；植物组织培养中脱分化和再分化的培养基中植物激素的含量不同，C错误；由于生长点部位细胞分裂旺盛，所含的病毒少，因此可用生长点部位(如芽尖)进行植物组织培养，从而获得脱毒苗，D正确。 二、植物细胞培养技术的应用 1．植物细胞代谢产物的工厂化生产 (1)应用实例 ①获取许多重要的细胞代谢产物 如：治疗疟疾的药物——奎宁；抗肿瘤药物——紫杉醇。 ②成为工业化生产相关植物产品的有效途径 如：药物——人参皂苷；食品添加剂——食用色素、甜味剂。 ③用于农副业生产 如：大规模培养桑叶的叶肉细胞，可制作成家蚕的饲料。 (2)优点：不仅快速、高效，而且不受季节、环境等条件的限制。 2．单倍体育种 (1)优点：可以大大缩短育种的年限，且可以获得具有稳定遗传特性的优良品种，节约了人力物力。 (2)育种思路 培育小孢子单倍体植株幼苗染色体数目加倍纯合二倍体植株。 (3)过程 过程分析： ①成熟的花药由花药壁和花粉囊及其中的花粉等结构组成。 ②经过适当的诱导，花粉囊中的花粉可发育成单倍性的胚状体或愈伤组织，最终形成单倍体植株。 ③用质量分数为0.02%～0.4%的秋水仙素溶液诱导单倍体植株的某些阶段(如形成愈伤组织时期或幼胚时期)，可获得染色体数目加倍的，能正常生长发育并开花、结果的二倍体植株。 判断正误 (1)植物体细胞杂交技术是工业化生产相关植物产品的一条有效途径(　　) (2)细胞产物的工厂化生产是对多个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖(　　) (3)单倍体育种的过程就是花药离体培养的过程(　　) (4)花药经组织培养后形成的幼苗既可能是二倍体幼苗又可能是单倍体幼苗(　　) (5)小孢子中染色体的数目是小孢子母细胞中的一半(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√ 任务二：植物细胞培养技术应用的分析 1．如图为单倍体育种的过程图。单倍体育种产生的植株是单倍体吗？为什么？ 提示　不是；单倍体育种包括花药离体培养和诱导染色体数目加倍两个过程，经染色体数目加倍后产生的植株是二倍体或多倍体。 2．基因型为AaBB的个体，通过一定方法可以分别将它们后代的基因型转变为①AABB、②AB、③AAaaBBBB，则采用的方法可能分别是什么？ 提示　①杂交育种、单倍体育种或诱变育种；②花药离体培养；③多倍体育种。 3．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(　　) 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 答案　B 解析　该途径获得的是细胞群和细胞产物(紫杉醇)，并没有体现植物细胞的全能性，A错误；过程①是脱分化，而决定植物脱分化和再分化的关键因素是培养基中植物激素的种类和比例，因此该过程需控制好培养基中植物激素的比例，经该过程细胞的形态和结构发生了变化，转变成未分化的细胞，进而形成不定形的薄壁组织团块，B正确，C错误；过程③需使用液体培养基，有利于细胞增殖，D错误。 4．利用基因型为HhRr的玉米(2n＝20)的幼苗芽尖细胞进行如图实验，下列相关分析错误的是(　　) A．植株A的体细胞内最多有4个染色体组 B．植株A和植株B的基因型相同 C．获得植株B的过程为单倍体育种，该过程涉及染色体变异和基因重组 D．获得幼苗1、2的过程都体现了植物细胞的全能性 答案　B 解析　植株A是芽尖细胞经植物组织培养获得的个体，体细胞中有2个染色体组，在有丝分裂后期着丝粒分裂使染色体数目加倍，体细胞中有4个染色体组，A正确；植株B是经单倍体育种获得的纯合子，与植株A的基因型不同，B错误；亲本产生花粉的过程中会发生基因重组，秋水仙素处理导致染色体数目发生变异，C正确。 题组一　植物组织培养技术的应用 1．下列属于快速繁殖的是(　　) A．马铃薯的块茎繁殖 B．用菊花茎段细胞繁殖产生新个体 C．杨树的扦插繁殖 D．果树的嫁接繁殖 答案　B 解析　人们形象地把用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术称为植物的快速繁殖技术，也称为微型繁殖技术，A、C、D项所描述的均属于营养生殖(无性生殖方式的一种)，只有B项运用了植物组织培养技术，属于快速繁殖。 2.通过植物组织培养技术，将植物组织细胞培养成胚状体，再用人工种皮包装得到人工种子(如图)，这种人工种子在适宜条件下可萌发生长。下列相关叙述错误的是(　　) A．培育胚状体时，所用的外植体、培养基都需要经过灭菌处理 B．人工种皮具有保护功能 C．人工胚乳中除含有糖类和矿质营养物质外，还应有植物激素等 D．与天然种子相比，人工种子具有能保持优良品种遗传特性的优点 答案　A 3．(2023·南京高二期末)下列有关植物组织培养技术的应用的叙述，正确的是(　　) A．微型繁殖技术是指植物体细胞杂交技术 B．种质保存的原理是超低温保存不会改变生物的遗传性状 C．人工种皮是由胚状体生成的 D．微型繁殖的优点有取材多、培养周期短、繁殖率高等 答案　B 解析　微型繁殖技术是指植物组织培养技术，A错误；人工种皮是由人工合成的，C错误；微型繁殖的优点有取材少、培养周期短、繁殖率高等，D错误。 4．下列关于植物脱毒方法的叙述，不正确的是(　　) A．植物脱毒主要有物理方法、化学方法和生物方法 B．物理方法中的冷疗法原理是一些病毒对低温不稳定，低温处理后会失去侵染能力 C．化学方法一般用嘌呤和嘧啶类似物或抗生素等化学药品处理患病植株 D．化学方法脱毒原理是抑制植物体内病毒的复制 答案　B 5．(2023·盐城高二调研)通过植物组织培养技术繁殖农作物，其优点不包括(　　) A．加快繁殖速度 B．保持亲本优良性状 C．培育无病毒植株 D．改变植物的基因型 答案　D 解析　植物组织培养技术包括快速繁殖和培育脱毒植物，快速繁殖属于无性繁殖，能加快繁殖速度，保持亲本的优良性状。综上所述，D符合题意。 题组二　植物细胞培养技术的应用 6．利用植物细胞培养技术从红豆杉细胞中提取抗癌物质紫杉醇，不需要进行的是(　　) A．选取合适的高产紫杉醇的细胞 B．培养基中加入适量的蔗糖，以提供营养并维持渗透压 C．控制植物激素的种类和含量诱导产生愈伤组织 D．选择适当的分化培养基培育红豆杉幼苗 答案　D 解析　若要从红豆杉细胞中提取抗癌物质紫杉醇，只需培养到愈伤组织阶段，不需要培育出红豆杉幼苗，D符合题意。 7．(2023·南通高二月考)下列有关图示育种方法的叙述，错误的是(　　) A．过程①是杂交 B．过程③处理后的幼苗是单倍体 C．过程④一般用秋水仙素处理 D．与该育种方法相比，用杂交育种培育小麦新品种的优点是能明显缩短育种年限 答案　D 解析　过程①让两亲本杂交，使所需的优良基因由亲本传递给F1，A正确；过程③是通过花药离体培养获得单倍体幼苗，B正确；过程④需人工诱导染色体数目加倍，一般用秋水仙素进行处理，后经筛选获得符合要求的品种，C正确；与杂交育种相比，用单倍体育种培育小麦新品种的优点是能明显缩短育种年限，D错误。 8．如图是对基因型为Aabb的玉米所作的处理，据图分析，下列叙述错误的是(　　) A．过程a所采取的技术手段是花药离体培养 B．过程b用秋水仙素处理后可以得到4种基因型的玉米植株 C．c和d分别是脱分化和再分化过程 D．图中过程a或过程c、d能够说明植物细胞具有全能性 答案　B 解析　过程a由花粉粒变为单倍体幼苗，所采取的技术手段是花药离体培养，A正确；基因型为Aabb的玉米能产生2种基因型的花粉：Ab和ab，经花药离体培养后可得到2种基因型的单倍体幼苗，单倍体幼苗再经秋水仙素处理后得到AAbb和aabb 2种基因型的可育玉米，B错误；过程a或过程c、d植物细胞培育成了植物个体，所以能够说明植物细胞具有全能性，D正确。 9．(2023·无锡高二检测)下列关于细胞代谢产物的工厂化生产的叙述，错误的是(　　) A．细胞代谢产物的工厂化生产是植物细胞工程的重要用途之一 B．培养过程中需要先脱分化形成愈伤组织，然后悬浮培养愈伤组织细胞 C．培养的细胞收集后一般要破碎提取有效成分 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代谢产物 答案　D 解析　培养的愈伤组织不需要再分化就能产生特定的细胞代谢产物，D错误。 10．人工种子是人们模仿天然种子的结构制造出来的生命有机体，它能像天然种子一样萌发生长。人工种子的核心部分——胚状体可以由悬浮培养的芽尖细胞制得，也可以用通过试管培养的花粉制得，由此人们把胚状体分为“体细胞胚”和“花粉胚”。请据此判断，下列说法错误的是(　　) A．人工种子可以解决有些作物品种繁殖能力差、结籽困难、发芽率低等问题 B．培育胚状体利用了植物组织培养技术 C．同一种植物的“体细胞胚”和“花粉胚”的染色体组的数目比为1∶1 D．该项技术的成功应用体现了植物细胞的全能性 答案　C 解析　胚状体是离体的细胞经脱分化和再分化后形成的，即利用了植物组织培养技术，B正确；根据题意可知“体细胞胚”是由植物的体细胞经脱分化和再分化后形成的，而“花粉胚”是由花粉(经减数分裂形成)经脱分化和再分化后形成的，因此，同一种植物的“体细胞胚”和“花粉胚”的染色体组的数目比为2∶1，C错误；植物组织培养的理论依据是植物细胞的全能性，D正确。 11．(多选)茎尖(超低温)冷疗法是一种马铃薯脱毒方法。科学家以单病毒PLRV(马铃薯卷叶病毒)、PVS(马铃薯S病毒)感染的马铃薯试管苗为实验材料，对不同大小的茎尖超低温处理后，再生培养，选取培养18周的20棵植株进行检测以获得病毒保存率，实验结果如表所示： 病毒感染类型 茎尖大小/mm 病毒保存率/% PLRV 0.5 0(0/20) 1.5 35(7/20) PVS 0.5 100(20/20) 1.5 100(20/20) 注：括号内数字表示检测阳性样本量/检测总样本量。 结合以上实验结果，有关该实验的分析正确的是(　　) A．超低温处理后的再生培养利用了植物组织培养技术 B．PLRV和PVS必须在宿主细胞内才能进行增殖 C．1.5 mm的茎尖超低温脱毒效果优于0.5 mm的茎尖 D．应设置一组未受病毒感染的马铃薯试管苗作对照组 答案　ABD 解析　感染PLRV的试管苗低温处理后，1.5 mm的茎尖超低温脱毒效果不如0.5 mm的茎尖，C错误。 12．(多选)花药离体培养是重要的育种手段。如图是某二倍体植物花药育种过程的示意图，下列叙述错误的是(　　) A．为了防止微生物污染，过程①所用的花药需在体积分数为70%的酒精中浸泡10 min B．过程②的培养基中需添加较高浓度的细胞分裂素以利于根的分化 C．过程③逐步分化的植株中可筛选获得纯合的二倍体 D．过程④应将炼苗后的植株移栽到含有蔗糖和多种植物激素的基质上 答案　ABD 解析　通常将花药用体积分数为70%的酒精浸泡10 s取出，后用无菌水清洗，A错误；过程②为脱分化形成愈伤组织的过程，所用培养基中细胞分裂素和生长素的比例应适中，B错误；过程③为再分化，因用秋水仙素处理了由花药形成的愈伤组织细胞，故能筛选获得纯合的二倍体，C正确；过程④应将炼苗后的植株移栽到土壤中，D错误。 13．(多选)(2023·镇江高二期末)辣椒素作为一种生物碱广泛应用于食品保健、医药工业等领域，其获得途径如图所示。下列叙述正确的是(　　) A．过程①表示辣椒组织培养中细胞的脱分化，需避光处理 B．过程②中需用适宜配比的生长素和细胞分裂素溶液处理 C．过程③常用的酶是纤维素酶和果胶酶 D．图中脱毒苗和高产细胞系的获得都体现了植物细胞的全能性 答案　ABC 解析　过程②为再分化，通过调整生长素与细胞分裂素的比例来控制愈伤组织的分化方向，B正确；过程③表示分离单个细胞，常用的酶是纤维素酶和果胶酶，C正确；脱毒苗的获得能够体现植物细胞的全能性，而高产细胞系的获得不能体现植物细胞的全能性，D错误。 14．(多选)(2023·徐州高二月考)虎头兰的花色泽艳丽、香味素雅，但其种子繁殖率低，为尽快推广种植，可应用人工种子技术获得大量优质苗。下列相关叙述正确的是(　　) A．采用茎尖脱分化形成的愈伤组织制备人工种子 B．人工胚乳中含有无机盐、糖类、植物激素、抗生素等 C．人工种皮应具有无毒、抗菌、透气等特点 D．通过人工种子繁殖，子代能保持亲代优良性状，不会发生变异 答案　BC 解析　根据人工种子制备过程可知，愈伤组织需再分化形成胚状体，才能制备人工种子，A错误；人工种子繁殖本质上属于无性繁殖，子代能保持亲本优良性状，但也可能会发生变异，D错误。 15．狼爪瓦松是一种具有观赏价值的野生花卉，其生产的黄酮类化合物可入药。狼爪瓦松野生资源有限，难以满足市场化需求。因此，目前一般通过植物细胞工程手段进行培养，具体过程如图所示，其中的数字代表处理或生理过程。请回答下列问题： (1)狼爪瓦松植株乙、丙、丁的获得都利用了________________技术，三种植株中核遗传物质与植株甲相同的是____________________。 (2)①选择幼嫩的叶用于接种的原因是________________________________，启动②③的关键激素是________________________________________________________________________。 (3)⑤需要用__________________处理，原生质体培养液中需要加入适宜浓度的甘露醇，请从细胞吸水与失水的角度分析原因：________________________________________________ ______________________________________________________________________________。 (4)正常愈伤组织中几乎没有黄酮类化合物，加入茉莉酸甲酯和水杨酸会明显促进愈伤组织中黄酮类化合物的积累，且细胞中与黄酮类化合物合成相关酶的含量显著升高，从基因控制生物性状的角度推测，茉莉酸甲酯和水杨酸的作用途径是______________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________。 答案　(1)植物组织培养　乙、丁　(2)分裂能力强，分化程度低　生长素和细胞分裂素　 (3)纤维素酶和果胶酶　维持细胞质膜内外渗透压的平衡(或防止原生质体皱缩或破裂)　 (4)茉莉酸甲酯和水杨酸诱导了细胞内与黄酮类化合物合成相关的酶基因的表达，酶含量升高，催化生成更多的黄酮类化合物 解析　(1)狼爪瓦松植株乙、丙、丁的获得都是经过在无菌条件下，将离体的植物器官、组织细胞或原生质体等，在培养基上培养，使其发育成完整植株的过程，都利用了植物组织培养技术。植株丙经历了诱变处理，发生了突变，遗传物质与植株甲不同；植株乙、丁形成过程未做诱变处理，遗传物质与植株甲相同。(2)幼嫩的叶有丝分裂旺盛，细胞分裂能力强，分化程度低，有利于植物组织培养，因此①选择幼嫩的叶用于接种；在组织培养中，生长素用于诱导细胞的分裂和根的分化，细胞分裂素的主要作用是促进组织细胞的分裂或从愈伤组织和器官上分化出不定芽，所以启动②脱分化和③再分化的关键激素是生长素和细胞分裂素。(3)⑤在进行体细胞杂交之前，必须先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，获得具有活力的原生质体。 16．应用植物组织培养技术，不仅可以实现种苗的快速繁殖、培育无病毒植株，也可以加快作物及苗木育种。下面是培育耐盐植株的实验流程： 茎段→愈伤组织挑选生长的愈伤组织→耐盐植株 请回答下列问题： (1)愈伤组织是由离体的茎段经____________过程形成的，此时愈伤组织细胞__________(填“具有”或“不具有”)细胞的全能性，愈伤组织经过__________过程形成耐盐植株。在植物组织培养的培养基中除无机营养成分、有机营养成分、琼脂外，还需要添加__________。 (2)对愈伤组织进行了两次处理，处理1中γ射线照射的目的是__________________，用γ射线不直接处理茎段而是处理愈伤组织，原因是______________________________________ ______________________________________________________________________________。 处理2中添加的物质X为________________________________________________________。 (3)植物组织培养技术也被广泛应用于其他作物的育种中。在培育白菜—甘蓝、三倍体无子西瓜中，用到植物组织培养技术的是________________________________________________。 答案　(1)脱分化　具有　再分化　植物激素　(2)诱导基因突变　愈伤组织细胞处于不断分裂的状态，易受到培养条件和诱变因素的影响而产生突变　氯化钠　(3)培育白菜—甘蓝 学科网（北京）股份有限公司 $$