第2章 第1节 第2课时 植物细胞工程的应用-【金版教程】2024-2025学年高中生物必修3 生物技术与工程 创新导学案word（人教版2019 多选版）

第2课时　植物细胞工程的应用 举例说明植物细胞工程的应用有效提高了生产效率。 知识点一　植物繁殖的新途径 1．快速繁殖 (1)概念：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，也叫作微型繁殖技术。 (2)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)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利用快速繁殖技术提供苗木。甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产。 2．作物脱毒 (1)选材及原因：植物顶端分生区附近(如茎尖)的病毒极少，甚至无病毒。 (2)方法：切取一定大小的茎尖进行组织培养。 (3)优点：提高作物产量和品质。 (4)实例：马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等脱毒植株的培育。 知识点二　作物新品种的培育 1．单倍体育种 (1)过程：花药(或花粉)单倍体幼苗正常植株优良品种。 (2)原理：染色体数目变异、植物细胞全能性。 (3)优点 ①当年就能培育出遗传性状相对稳定的纯合二倍体植株，极大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力。 ②由于大多数单倍体植株的细胞中只含有一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性性状容易显现，因此它也是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。 (4)实例 ①1974年，我国科学家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把单倍体育种与常规育种结合起来，育成了水稻、玉米、油菜和甜椒等作物的新品种。 2．突变体的利用 (1)过程：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。从产生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。 (2)实例：抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体，有些品种已经用于生产，如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。 知识点三　细胞产物的工厂化生产 1．次生代谢物 (1)含义：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。 (2)化学本质：小分子有机化合物(如酚类、萜类和含氮化合物等)。 (3)作用：在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。 (4)含量：很低。 易漏边角 初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，因此在整个生命过程中它一直进行着。初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质和核酸等。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。 2．细胞产物的工厂化生产 (1)定义：利用植物细胞培养来获得目标产物的过程就是细胞产物的工厂化生产。 (2)植物细胞培养：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。 (3)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。 (4)实例 ①紫草宁：是从紫草细胞中提取的一种药物和色素，具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性。是世界上首例药用植物细胞工程产品。 ②紫杉醇：存在于红豆杉属植物体内的一种次生代谢物，具有高抗癌活性，现在已被广泛用于乳腺癌等癌症的治疗。我国科学家经过多年研究，筛选出了高产紫杉醇的细胞。 ③人参：我国科学家在1963年成功培育了人参的组织，后来又实现了利用人参细胞培养来生产人参中重要的活性成分——人参皂苷。 ④三七等。 易漏边角 到社会中去 “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。 课堂小结 1．某种极具观赏价值的兰科珍稀花卉很难获得成熟种子。为尽快将其推广种植，可应用多种技术获得大量优质苗，下列技术中不能选用的是(　　) A．利用茎段扦插诱导生根技术快速育苗 B．采集花粉粒进行组织培养获得单倍体苗 C．采集幼芽嫁接到合适的其他种类的植物体上 D．采集幼叶、茎尖等部位的组织进行组织培养 答案　B 解析　花粉粒是减数分裂的产物，利用花粉粒离体培养得到的是单倍体苗，其高度不育且性状可能发生改变，因此B项方案不能选用。 2．利用马铃薯的块茎进行无性繁殖，种植的世代多了以后往往会因感染病毒而减产，为此农户都希望得到无病毒的幼苗进行种植。获得无病毒幼苗的最佳方法是(　　) A．选择优良品种进行杂交 B．进行远缘植物体细胞杂交 C．利用芽尖进行组织培养 D．人工诱导基因突变 答案　C 解析　芽尖分生能力旺盛，几乎不含病毒，可以通过芽尖组织培养获得脱毒苗。 3．长春花的次生代谢产物长春胺可用于治疗脑动脉硬化等。研究人员用诱变剂——甲基磺酸乙酯(EMS)处理长春花的愈伤组织，筛选后进行扩大培养，得到了生长快且长春胺产量高的长春花突变细胞系。下列相关叙述错误的是(　　) A．长春胺的工厂化生产技术的细胞学原理是细胞增殖 B．长春胺不是长春花进行基本生命活动所必需的产物 C．选用愈伤组织进行处理是因其易受到培养条件和诱变因素的影响 D．突变后的愈伤组织在固体培养基上扩大培养可以获得大量长春胺 答案　D 解析　长春胺的工厂化生产指利用长春花细胞培养获得长春胺，该技术的细胞学原理是细胞增殖，A正确；长春胺是长春花的次生代谢产物，次生代谢产物不是生物生长所必需的，B正确；愈伤组织是外植体脱分化后形成的不定形的薄壁组织团块，其处于不断增殖的状态，易受到培养条件和诱变因素的影响而发生突变，C正确；扩大培养需要用液体培养基，D错误。 4．(多选)利用植物细胞培养技术从红豆杉细胞中提取抗癌药物紫杉醇，需要进行的是(　　) A．选取合适的外植体并对外植体进行消毒 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　ABC 解析　植物细胞培养需要选取合适的外植体并对外植体进行消毒，以防止杂菌污染，A符合题意；脱分化过程中需控制植物激素的种类和含量，C符合题意；从红豆杉细胞中提取抗癌药物紫杉醇，只需培养高产紫杉醇的细胞，不需培育红豆杉幼苗，D不符合题意。 题型一　植物细胞工程的应用 例1　为给工厂繁殖脱毒甘薯苗提供技术上的支持，科研人员利用植物组织培养技术研究甘薯茎尖(外植体)大小对诱导分化苗和脱毒苗的影响，结果如表所示，下列相关叙述正确的是(　　) 茎尖大小 外植体数/个 分化苗数/株 脱毒苗数/株 小于0.3 mm 20 1 1 0.3～0.5 mm 20 10 7 大于0.6 mm 20 13 4 A．茎尖与其他成熟组织相比病毒含量更低 B．脱分化过程中应给予充足光照使其进行光合作用 C．获得的脱毒苗与原甘薯苗相比细胞核遗传物质发生了改变 D．0.3～0.5 mm大小的茎尖最有利于获得抗病毒的特性 解题分析　茎尖细胞含有的病毒极少或者无病毒，A正确；脱分化过程中一般不需要光照，不需要进行光合作用，B错误；获得的脱毒苗与原甘薯苗相比细胞核遗传物质未发生改变，C错误；0.3～0.5 mm大小的茎尖最有利于获得无病毒的特性，不是抗病毒的特性，D错误。 答案　A 例2　(多选)为快速培育抗除草剂的水稻(2N＝24)，育种工作者用如图所示方法进行育种，下列说法正确的是(　　) A．过程①花药离体培养的理论依据是细胞的全能性 B．过程②用γ射线照射单倍体幼苗，目的是提高幼苗的基因突变频率 C．过程③用除草剂喷洒单倍体幼苗，目的是筛选出抗除草剂的叶片 D．通过过程④和过程⑤培育出的抗除草剂植株属于四倍体植株 解题分析　过程①是花药离体培养，理论依据是植物细胞具有全能性，A正确；植物组织培养为无性繁殖手段，过程④获得的幼苗是单倍体幼苗，过程⑤中用秋水仙素处理可诱导染色体数目加倍，因此通过过程④和⑤获得的抗除草剂植株是二倍体植株，D错误。 答案　ABC 题后归纳 1．四种育种方法的比较 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 提高突变频率，获得优良性状 单倍体育种 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 植物体细胞杂交 细胞膜的流动性、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 2.单倍体幼苗经秋水仙素诱导处理后得到的不一定是纯合子。对二倍体植物形成的单倍体，经秋水仙素诱导后一定是纯合子。但对多倍体，就不一定，例如，四倍体植物(AAaa)形成的单倍体幼苗(基因型有AA、Aa、aa三种)，经秋水仙素诱导后形成的仍然是四倍体，基因型分别为AAAA、AAaa、aaaa，其中AAaa是杂合子。 题型二　植物组织培养与植物细胞培养的比较 例3　辣椒素作为一种生物碱广泛用于食品保健、医药工业等领域。辣椒素的获得途径如图，下列说法不正确的是 (　　) A．过程①②分别表示脱分化和再分化过程 B．获得辣椒素的两条途径都反映了植物细胞的全能性 C．两条途径分别利用了植物组织培养和植物细胞培养技术 D．脱毒苗的获得利用了芽尖等分生区病毒极少或无病毒的特点 解题分析　分析题图，过程①形成愈伤组织，是脱分化过程，过程②中愈伤组织形成根、芽，是再分化过程，A正确；上面一种途径是通过植物组织培养获得脱毒苗，再从果实中提取相应的产物，下面一种途径是采用植物细胞培养技术，实现工厂化生产获得大量的细胞产物，图中下面一种获得辣椒素的途径没有培养形成植株，也没有分化成其他各种细胞，不能反映植物细胞的全能性，B错误；植物顶端分生区附近的病毒极少，甚至无病毒，所以脱毒苗的获得利用了芽尖等分生区病毒极少或无病毒的特点，D正确。 答案　B 题后归纳 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 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 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，如紫草宁、人参皂苷、紫杉醇等 课后课时作业 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 难度 ★ ★ ★ ★ ★★ ★ ★ ★ ★★ ★ ★★ 对点 组培技术繁殖农作物优点 脱毒苗的培育 单倍体育种 诱变育种 单倍体育种 细胞产物的工厂化生产 细胞产物的工厂化生产 植物细胞工程的应用 诱变育种 植物细胞工程的应用(组培与植物体细胞杂交) 植物细胞工程的应用(单倍体育种) [单项选择题] 知识点一　植物繁殖的新途径 1．通过植物组织培养技术繁育农作物，其优点不包括(　　) A．加快繁育速度 B．保持亲本优良性状 C．培育出无病毒植株 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，并通过作物脱毒提高作物产量，改善作物品质，A、B、C不符合题意。 2．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。下列叙述不正确的是(　　) A．带叶原基的芽与植物体其他组织中的病毒含量相同 B．②过程的作用是使组织中的病毒在图中处理温度下部分或全部失活 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．图中脱毒苗的培育过程利用了植物组织培养技术 答案　A 解析　植物组织分生区细胞没有病毒或病毒极少，A错误；③为诱导生芽培养基，生长素与细胞分裂素用量的比值低，④为诱导生根培养基，生长素与细胞分裂素用量比值高，且二者生长素、细胞分裂素的含量也不同，C正确。 知识点二　作物新品种的培育 3．(2021·广东选择性考试)白菜型油菜(2n＝20)的种子可以榨取食用油(菜籽油)。为了培育高产新品种，科学家诱导该油菜未受精的卵细胞发育形成完整植株Bc。下列叙述错误的是(　　) A．Bc成熟叶肉细胞中含有两个染色体组 B．将Bc作为育种材料，能缩短育种年限 C．秋水仙素处理Bc幼苗可以培育出纯合植株 D．自然状态下Bc因配子发育异常而高度不育 答案　A 解析　白菜型油菜2n＝20，表明白菜型油菜属于二倍体生物，体细胞中含有两个染色体组，而Bc是通过卵细胞发育而来的单倍体，其成熟叶肉细胞中含有一个染色体组，A错误；Bc是通过卵细胞发育而来的单倍体，秋水仙素处理Bc幼苗可以培育出纯合植株，此种方法为单倍体育种，能缩短育种年限，B、C正确；自然状态下，Bc只含有一个染色体组，细胞中无同源染色体，减数分裂不能形成正常配子而高度不育，D正确。 4．如图表示利用棉花叶肉细胞原生质体培养进行遗传改良的过程。据图分析，下列叙述错误的是(　　) A．①过程需用纤维素酶和果胶酶的混合物处理 B．②过程能定向诱导原生质体产生优良性状的突变 C．③过程中叶肉细胞失去了其特有的结构和功能 D．②过程还可以用特定的化学物质进行诱变处理 答案　B 解析　②表示人工诱变过程，但基因突变是不定向的，B错误。 5．下图是利用玉米的幼苗芽尖细胞(基因型为BbTt)进行实验的示意图。下列相关叙述不正确的是(　　) A．过程①是再分化，一般需要光照 B．培育幼苗2的过程体现了细胞的全能性 C．植株C的基因型可能有四种 D．③过程滴加秋水仙素可获得染色体加倍的细胞 答案　A 解析　过程①是脱分化和再分化，脱分化过程一般不需要光照，A错误；培育幼苗2的过程是将高度分化的离体细胞培育出了完整植株，体现了细胞的全能性，B正确；植株C为经花药离体培养和秋水仙素处理得到的植株，其基因型可能为BBTT、BBtt、bbTT、bbtt四种，C正确；③过程是细胞有丝分裂，滴加秋水仙素可获得染色体加倍的细胞，D正确。 知识点三　细胞产物的工厂化生产 6．紫杉醇是存在于红豆杉属植物体内的一种次生代谢物，具有高抗癌活性，利用植物细胞培养生产紫杉醇是扩大紫杉醇来源的重要途径，紫杉醇工厂化生产的主要过程为：红豆杉→愈伤组织→筛选稳定高产紫杉醇细胞系→细胞悬液→生物反应器进行培养→细胞破碎→提取紫杉醇，下列有关叙述不正确的是(　　) A．以红豆杉叶为原料获得愈伤组织过程中发生了细胞分裂和基因的选择性表达 B．在培养过程中，要不断通入无菌空气并进行搅拌，其目的是保证O2供应充足，使细胞与培养液充分接触 C．紫杉醇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 D．紫杉醇的工厂化生产没有体现植物细胞的全能性 答案　C 解析　红豆杉叶经脱分化得到愈伤组织，在这一过程中发生了细胞分裂和基因的选择性表达，A正确；在培养过程中不断通入无菌空气是保证O2供应充足，搅拌是使细胞与培养液充分接触，B正确；由于植物细胞的次生代谢物含量很低，通过利用植物细胞培养来获得大量细胞，进而获得目标产物，这个过程就是细胞产物的工厂化生产，C错误。 7．茅苍术具有消炎、燥湿、健脾、明目等效。目前野生茅苍术资源稀缺，应用生物技术可以有效繁殖和保存茅苍术资源，并有望将其次生代谢产物挥发油工业化生产。下列相关叙述错误的是(　　) A．挥发油不是茅苍术生命活动必需的化合物 B．挥发油工业化生产过程中使用的是液体培养基 C．茅苍术不同细胞经植物组织培养获得的新个体基因型不一定相同 D．将茅苍术茎尖或根尖组织经灭菌、脱分化、再分化可获得脱毒苗 答案　D 解析　挥发油是茅苍术的次生代谢物，不是其生命活动所必需的，A正确；细胞产物的工厂化生产是从人工培养的愈伤组织细胞中提取某种成分，该过程使用的是液体培养基，B正确；同一植株的花粉细胞与体细胞经植物组织培养得到的新个体基因型不同，C正确；植物组织培养主要包括脱分化和再分化两个过程，进行该过程前需要对外植体进行消毒处理，但不能对植物材料进行灭菌处理，D错误。 [多项选择题] 8．甘薯由于能增强免疫功能、防癌抗癌、抗衰老、防止动脉硬化等，越来越被人们喜爱。但甘薯属无性繁殖作物，具有自交不育和杂交不亲和性，这使甘薯生产和育种存在诸多常规方法难以解决的问题。下列相关说法合理的是(　　) A．利用植物组织培养技术繁殖甘薯的方法称为微型繁殖 B．利用茎尖分生组织培养得到的脱毒苗，具备抗病毒的能力，产品质量也有所提高 C．利用原生质体融合实现体细胞杂交，可以克服杂交不亲和性 D．利用培养的愈伤组织进行诱变育种，可以显著提高突变频率 答案　ACD 解析　茎尖等分裂旺盛部位几乎无病毒感染，因此利用茎尖分生组织能培养出无病毒且保持优良性状的幼苗，即脱毒苗，脱毒苗不等于抗毒苗，若原植物本身不具备抗病毒的能力，则培育的脱毒苗也不具备抗病毒的能力，B错误。 9．如图为利用体细胞诱变育种技术获得抗除草剂白三叶草新品种的过程。下列叙述正确的是(　　) A．该育种过程依据的原理有基因突变和植物细胞具有全能性 B．过程①②培养基中，不同植物生长调节剂的浓度比例不同 C．白三叶草组织细胞和胚状体的细胞中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除草剂 答案　ABD 解析　题图中诱变过程依据的原理是基因突变，植物组织培养过程依据的原理是植物细胞具有全能性，A正确；脱分化和再分化过程中不同植物生长调节剂浓度比例不同，B正确；因为愈伤组织经γ射线照射后发生了基因突变，再分化为胚状体，因此白三叶草组织细胞和胚状体的细胞中DNA和RNA的种类都不相同，C错误；过程③可以在个体水平上进行筛选，方法是用除草剂喷洒白三叶草幼苗，D正确。 [非选择题] 10．中国传统名花中的兰花是高洁典雅的象征，因此深受人们的喜爱，传统的人工繁殖兰花的方法是分株繁殖和用种子播种，随着科学技术的进步，人们开始采用“植物组织培养繁殖兰花”。回答下列相关问题： (1)与传统的人工繁殖相比，植物组织培养技术有哪些显著优势：能________________的遗传特性，高效快速地实现种苗的大量繁殖，不受季节、气候和地域的限制等。 (2)生产实践中一般采取兰花的芽通过植物组织培养技术获得新个体，植物组织培养技术的原理是________________，原因是细胞中含有________________。 (3)有研究员在植物组织培养过程中，发现愈伤组织在诱导生根的培养基上未形成根，但分化出了芽，原因可能是培养基中________________________。 (4)有人想到利用韭菜和兰花植物通过体细胞杂交技术解决兰花生根速度慢、幼苗生存能力弱的问题，可取韭菜和兰花植株的叶片，先用______________________酶去除细胞壁，获得具有活力的原生质体，再用化学诱导剂诱导二者融合，形成的融合细胞经过________培养形成愈伤组织，然后经过________形成完整的韭菜—兰花植株体。与自然状况下的杂交育种相比，植物体细胞杂交的主要意义是______________________________。 答案　(1)保持优良品种 (2)植物细胞的全能性　本物种的全部遗传信息 (3)生长素与细胞分裂素用量的比值偏低 (4)纤维素酶和果胶　脱分化　再分化　打破生殖隔离，实现远缘杂交育种 11．单倍体诱导技术对改良蔬菜品种、加速品种选育进程具有重要的意义。某研究所对蔬菜单倍体诱导的主要途径、影响因素、染色体加倍技术及其在遗传育种中的应用进行了研究。回答下列问题： (1)蔬菜单倍体可通过________________途径获得。经诱导获得的单倍体中__________(填“不存在”“存在”或“不一定存在”)等位基因，原因是这与______________________有关。 (2)单倍体一般具有________的特点，因此要对其染色体进行加倍处理。在自然环境中，某些单倍体可出现自然加倍的现象，分析其出现的原因可能是______________________，还可以采用____________________的方法获得染色体数目加倍的蔬菜。 (3)已知栽培香蕉为三倍体，不能用于培养单倍体的原因是__________________________。 (4)许多蔬菜的单倍体只含有一个染色体组，在诱变育种中易筛选出突变性状，其原因是____________________________________。 答案　(1)花药离体培养　不一定存在　母体体细胞中染色体组的多少 (2)高度不育　低温诱导其染色体数目加倍　秋水仙素处理幼苗 (3)体细胞中含有三个染色体组，减数分裂时联会紊乱，不能形成正常的配子 (4)由于没有同源染色体，染色体上无论是显性基因还是隐性基因都可以得到表达 解析　(1)蔬菜单倍体可通过花药离体培养途径获得，经诱导获得的单倍体中不一定存在等位基因，这与母体体细胞中染色体组的多少有关，如AAaa个体获得的单倍体可能含有等位基因Aa。 (4)许多蔬菜的单倍体只有一个染色体组，没有同源染色体，染色体上无论是显性基因还是隐性基因都可以得到表达，因此在诱变育种中易筛选出突变性状。 13 学科网（北京）股份有限公司 $$