第2章 第1节 第2课时 植物细胞工程的应用（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（人教版2019 不定项）

第2课时　植物细胞工程的应用 课时目标 1.采用归纳与概括的方法，举例说明植物细胞工程的应用。(科学思维) 2．认同植物细胞工程对社会经济的发展具有重要意义。(社会责任) 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，也叫作微型繁殖技术。 (2)优点：高效、快速地实现种苗的大量繁殖；保持优良品种的遗传特性。 2．作物脱毒 (1)选材 ①部位：植物顶端分生区附近(如茎尖)。 ②原因：病毒极少，甚至无病毒。 (2)优点：提高作物的产量和品质。 二、作物新品种的培育 1．单倍体育种 (1)原理：细胞的全能性和染色体变异。 (2)过程：花药(或花粉)单倍体植株纯合二倍体植株优良品种。 (3)优点 ①极大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力。 ②是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。 2．突变体的利用 (1)原理：在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，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。 (2)利用：筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。 三、细胞产物的工厂化生产 1．次生代谢物 (1)定义：植物代谢产生的，一般认为不是植物基本生命活动所必需的产物。 (2)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。 2．技术：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．实例：人参、三七、紫草和红豆杉的细胞产物都已实现工厂化生产。 4．优势：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。 ◆名师点睛 1．单倍体育种的流程不仅包括花药(花粉)离体培养，还包括人工诱导染色体加倍，所以单倍体育种得到的一般是纯合的二倍体植株，而不是单倍体植株。 2．细胞产物的工厂化生产往往需要将植物组织培养进行到愈伤组织阶段，然后对愈伤组织细胞进行悬浮培养。 ◆思维启迪 　脱毒苗是否具有抗病毒特性？为什么？ 提示：不具有。脱毒苗只是不含有病毒，遗传性状没有改变，仍可能感染病毒。 ◆基础速判(对的画“√”，错的画“×”) 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．脱毒草莓能明显提高产量，但品质没有发生变化。(　　×　　) 3．作物脱毒所培养的材料常选自顶端分生组织。(　　√　　) 4．快速繁殖本质上是一种无性繁殖。(　　√　　) 5．单倍体育种的过程就是花药离体培养的过程。(　　×　　) 6．突变体育种常用射线、化学物质处理愈伤组织。(　　√　　) 7．植物细胞培养利用了植物细胞的全能性。(　　×　　) 任务一__植物繁殖的新途径 植物细胞工程在农业、医药工业等方面有着广泛的应用，并且取得了显著的社会效益和经济效益。如图为植物细胞工程的应用实例。 [问题探究] 1．植物组织培养可以进行快速繁殖的原因有哪些？ 答案：植物组织培养到愈伤组织的阶段，细胞进行有丝分裂，细胞分裂速度较快，从而可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；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．快速繁殖属于什么生殖方式？为什么？ 答案：快速繁殖属于无性生殖。快速繁殖只运用了植物组织培养技术，该过程没有涉及两性生殖细胞的结合，因而属于无性生殖。 3．作物培养过程中为什么要进行作物脱毒？如何进行作物脱毒？ 答案：对于无性繁殖的作物，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。植物顶端分生区附近的病毒极少，甚至无病毒，因此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。 两种植物繁殖新途径的比较 繁殖新途径 取材 优点 技术 快速繁殖(微型繁殖) 取材广泛 高效、快速地实现种苗的大量繁殖；保持优良品种的 遗传特性 植物 组织 培养 作物脱毒 顶端分生 区附近 获得高产、优质的 脱毒苗 1．(2024·绍兴高二检测)山药在生长过程中易受病毒侵害导致品质和产量下降。采用组织培养技术得到脱毒苗，可恢复其原有的优质高产特性，流程如下。下列操作不可行的是(　　) 外植体→愈伤组织→丛生芽→试管苗 A．选择芽尖作为外植体可减少病毒感染 B．为促进光合色素的合成，培养期间需要适当光照刺激 C．将丛生芽切割后进行继续培养可实现快速繁殖 D．提高生长素和细胞分裂素的比值可促进愈伤组织形成丛生芽 D　解析：芽尖等分生组织分裂旺盛，且含病毒少，取材时常选用其作为外植体培育脱毒苗，A不符合题意。光合色素的合成需要光照，因此在再分化阶段为促进光合色素的合成，培养期间需要适当光照刺激，B不符合题意。将丛生芽切割后转移到新的培养基上继续进行扩大培养，离体繁殖速度比常规方法通常要快数万倍，可实现快速繁殖，C不符合题意。提高生长素和细胞分裂素的比值可促进愈伤组织形成根而不是芽，D符合题意。 2．(2024·东莞高二检测)病毒感染果蔬后，会借助胞间连丝等结构扩散，导致果蔬产量和品质退化。利用组织培养技术可以快速生产出脱毒苗。下列叙述错误的是(　　) A．获取的植株茎尖切段需用70%的酒精和5%的次氯酸钠进行消毒处理 B．再分化过程中应给予充分光照促进叶绿素合成，从而有利于光合作用 C．形成愈伤组织的过程中，可能会发生染色体变异、基因突变及基因重组 D．植株茎尖细胞中不含病毒的原因可能是该组织胞间连丝不发达 C　解析：在植物组织培养过程中，常用70%的酒精和5%的次氯酸钠对外植体进行消毒处理，然后用无菌水冲洗，A正确；再分化过程中需要形成叶绿素，故应给予光照促进叶绿素合成从而进行光合作用，B正确；形成愈伤组织的过程中发生有丝分裂，可能会发生染色体变异、基因突变，但不会发生基因重组，基因重组发生在减数分裂过程中，C错误；根据题干信息“病毒感染果蔬后，会借助胞间连丝等结构扩散”可推测，植株茎尖细胞中不含病毒的原因可能是该组织胞间连丝不发达，D正确。 3．(不定项)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，结果如下表所示。下列相关叙述错误的是(　　) 茎尖大小/mm 外植体 数/个 分化苗 数/株 脱毒苗 数/株 小于0.3 20 1 1 0.3～0.5 20 10 7 大于0.5 20 13 4 A.在不同的培养阶段，培养基中的激素浓度和比例不同 B．脱分化过程中应给予充足光照使其进行光合作用 C．培育脱毒苗时依据的原理有基因突变和细胞的全能性 D．0.3～0.5 mm大小的茎尖最有利于获得抗病毒特性的植株 BCD　解析：在不同的培养阶段，对主要营养物质和激素的需求不同，培养基中的激素浓度和比例则不同，生长素和细胞分裂素的比值高有利于根的分化，比值低有利于芽的分化，A正确；脱分化过程中没有叶绿体，不能进行光合作用，不需要光照，B错误；培育脱毒苗时依据的原理是植物细胞的全能性，C错误；0.3～0.5 mm大小的茎尖最有利于获得无病毒特性的植株，D错误。 任务二__作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产 下图表示作物新品种的培育中突变体的利用过程。 [问题探究] 1．突变体育种与单倍体育种的原理分别是什么？ 答案：突变体育种的原理是基因突变和植物细胞的全能性；单倍体育种的原理是植物细胞的全能性和染色体变异。 2．单倍体育种为什么能为体细胞诱变育种和研究遗传突变提供理想材料？ 答案：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。 3．为什么用物理或化学因素处理愈伤组织更容易诱导突变？产生的变异一定符合需要吗？ 答案：因为愈伤组织细胞处在不断分裂过程中，细胞要进行DNA分子复制，因此更易受到诱变因素的影响而发生突变。由于突变是不定向的，产生的变异不一定符合需要。 1．两种育种方法的比较 育种方法 原理 过程 优点 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 突变体 育种 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 提醒：花药(花粉)离体培养是以花药(花粉)作为外植体的植物组织培养，从技术层面上看，它是一种无性繁殖(组织培养)，从生殖方式来看，却是一种有性生殖(单性生殖)。 2．植物组织培养与植物细胞培养的比较 项目 植物组织培养 植物细胞培养 目的 获得植物体 获得细胞的次生代谢物 过程 实例 快速繁殖、作物脱毒 人参皂苷的生产 1．(2024·眉山高二检测)我国是玉米种植第二大国，优良的玉米品种可以提高产量。如图为利用玉米幼苗芽尖细胞探究育种方法的实验，据图判断有关说法错误的是(　　) A．植株A为脱毒植株 B．通过幼苗2获得植株B的过程最大的优点是明显缩短育种年限 C．植株B和C的染色体数目相同 D．①和花药离体培养过程均利用了细胞的全能性 C　解析：植株A是利用芽尖细胞组织培养获得的植株，因此为脱毒植株，A正确；通过幼苗2获得植株B的过程为单倍体育种，可以明显缩短育种年限，B正确；植株B是经秋水仙素处理后得到的，与植株C的染色体数目不同，C错误；①植物组织培养和花药离体培养过程均利用了细胞的全能性，D正确。 2．(2024·宁夏高二检测)通过植物细胞工程对光果甘草进行培养以获得药物甘草西定，过程如图所示。下列相关叙述正确的是(　　) A．过程③通常先在生长素与细胞分裂素比值高的培养基中培养 B．过程④常用射线或化学物质处理即可获得大量所需的突变体植株丙 C．所得三种植株中，乙和丙的遗传信息与甲相同，植株丁和甲是同一物种 D．过程⑥中甘草西定可通过植物细胞培养获得，应将愈伤组织细胞悬浮培养 D　解析：生长素与细胞分裂素的比值高时，利于生根，该值低时利于生芽，过程③需先生芽，再生根，所以需要先在生长素与细胞分裂素比值低的培养基中培养，A错误。过程④常用射线或化学物质处理愈伤组织，经筛选，并进一步培养才能获得大量所需的突变体植株丙，B错误。所得三种植株中，乙和丙的遗传信息不一定与甲相同，因为植株丙是诱变育种得到的，遗传信息可能会发生改变；植株丁经过了植物体细胞杂交，染色体数目发生了改变，和甲不一致，所以不是同一物种，C错误。过程⑥中甘草西定可通过植物细胞培养获得，应将愈伤组织细胞悬浮培养，D正确。 提取紫杉醇——科学探究与社会责任 紫杉醇是存在于红豆杉细胞中的一种高效抗癌物质，在植物体中含量极低。为取代从天然植株中提取紫杉醇的方式，可通过植物组织培养和植物细胞培养技术来获取，其过程为获取红豆杉外植体→消毒→诱导愈伤组织→细胞培养→提取紫杉醇。 设计1：考查实验分析能力 (1)获取的外植体首先要通过________过程培养出愈伤组织。如表为四种不同外植体在相同培养条件下诱导愈伤组织的实验结果，由表中结果可知诱导愈伤组织较适宜的两种外植体分别是________________________。 外植体 愈伤组织体积 诱导率/% 不带叶茎段 很大 99.5 带叶茎段 很小 90 叶片 很小 20 成熟胚 较大 80 注：诱导率/%＝形成的愈伤组织数量/接种的外植体数量×100%。 设计2：考查原因分析与长句表达能力 (2)将愈伤组织接种到适宜培养液中进行细胞培养，细胞培养的过程________(填“体现”或“未体现”)细胞的全能性，理由是_______________________________________。据下图分析，2，4­D对细胞生长和紫杉醇合成的作用分别是_________________________________，为获得最大紫杉醇总产量，最适合的2，4­D浓度应为________(填“0.5”“1.0”或“2.0”)mg·L－1。 设计3：考查长句表达能力和社会责任 (3)与从天然植株中提取相比，利用上述技术生产紫杉醇的重要意义是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________(答出两点)。 答案：(1)脱分化　不带叶茎段、成熟胚 (2)未体现　此过程中细胞没有分化成各种细胞，也没有发育成完整植株　促进细胞生长，抑制紫杉醇合成　1.0 (3)提高了紫杉醇的产量，保护了红豆杉资源 解析：(1)外植体脱分化可培育出愈伤组织。由表中结果可知，诱导愈伤组织较适宜的两种外植体应该是形成愈伤组织体积较大，且诱导率较高的不带叶茎段和成熟胚。(2)将愈伤组织接种到适宜培养液中进行细胞培养，未产生完整的生物个体或分化成其他各种细胞，因此，未体现细胞的全能性。根据题图分析可知，2，4­D促进细胞生长，抑制紫杉醇的合成，为获得最大紫杉醇总产量，最适合的2，4­D浓度应为1.0 mg·L－1。(3)若从天然植株中提取紫杉醇，会破坏红豆杉树木，若用植物组织培养技术，在短时间内就能培育出大量的愈伤组织，经过细胞培养，可以获取大量的紫杉醇，故利用上述技术生产紫杉醇的重要意义是提高了紫杉醇的产量，保护了红豆杉资源。 1．(2024·保定高二阶段练习)植物细胞工程在农业、医药工业等方面有着广泛的应用，并取得了显著的社会效益和经济效益。下列关于植物细胞工程的应用的叙述，错误的是(　　) 选项 应用技术 原理或取材原因 优势 A 快速繁殖 植物细胞的全能性 繁殖快、保持亲 本遗传特性 B 作物脱毒 植物顶端分生区几乎不含病毒 提高作物的产量和品质 C 突变体的利用　　 为适应培养条件发生新的突变 获得自然界没有的新物种 D 生产细胞产物　　 细胞可产生多种次生代谢产物 不受季节、天气等限制 C　解析：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，微型繁殖技术可以使作物保持优良品种的遗传特性，可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖，A正确；利用植物组织培养技术培育脱毒苗可以提高作物的产量和品质，B正确；突变只是为生物进化提供原材料，不一定产生新物种，同时突变是不定向的，不能为适应条件发生定向突变，C错误；细胞的工厂化生产利用的是细胞次生代谢产物的产生，不受季节、天气等限制，D正确。 2．(2024·徐州高二检测)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办法是(　　) A.选择优良品种进行杂交 B.在田间喷洒消毒剂 C.利用茎尖进行组织培养 D.人工诱导基因突变 C　解析：进行作物脱毒时常采用茎尖作为外植体进行组织培养，原因是茎尖病毒极少，甚至无病毒，再生的植株就可能不带病毒，从而获得脱毒苗，C正确。 3．(2024·聊城高二检测)“白雪公主”草莓被誉为“水果皇后”，具有广阔的市场前景和较高的经济价值。草莓是无性繁殖的植物，它感染的病毒很容易传播给后代。病毒在草莓体内逐年积累，会导致产量降低，品质变差。下图是育种工作者选育高品质“白雪公主”草莓流程图。下列说法错误的是(　　) A.通常采用70%的酒精和5%的次氯酸钠溶液对甲进行消毒处理 B.甲常选用茎尖，原因是该处的病毒极少甚至没有病毒 C.在植物组织培养过程中，经过筛选可能获得对人们有用的突变体 D.通过植物组织培养技术得到抗病毒的草莓脱毒苗 D　解析：对外植体的消毒通常采用体积分数为70%的酒精和5%的次氯酸钠溶液，消毒后需用无菌水进行冲洗，A正确；茎尖的病毒极少甚至没有病毒，所以常用茎尖作为外植体，B正确；在植物组织培养过程中，愈伤组织容易发生突变，经过筛选可能获得对人们有用的突变体，C正确；通过植物组织培养技术得到草莓脱毒苗，但是不抗病毒，D错误。 4．(不定项) (2024·哈尔滨高二检测)愈伤组织是一种不定形的薄壁组织团块，在植物细胞工程中有着多种应用，如下图所示。下列说法正确的是(　　) A.玉米花粉粒经②⑤过程得到的植株B不能稳定遗传 B.图中④和⑧过程的培养基中都有琼脂 C.植物的微型繁殖和脱毒苗的获得均需通过①④过程 D.①④和①⑧两种途径的原理均是植物细胞的全能性 AC　解析：玉米花粉粒经②⑤过程得到的植株B是单倍体植株，减数分裂形成配子时染色体配对紊乱而无法产生后代，因此不能稳定遗传，A正确；图中④过程所用的培养基为固体培养基，其中加入了琼脂，而⑧过程的培养基为液体培养基，其中不含有琼脂，B错误；植物的微型繁殖和脱毒苗的获得均需通过脱分化和再分化过程，即图中的①④过程，C正确；①④过程通过脱分化和再分化过程产生了植株A，利用了植物细胞的全能性，而①⑧过程的目的是获得细胞产物，该途径的原理是细胞增殖，D错误。 5．请回答下列问题： (1)植物快速繁殖技术属于植物组织培养的范畴。该技术可以保持优良品种的__________，繁殖种苗的速度________。离体的叶肉细胞在适宜的条件下培养，最终能够形成完整的植株，说明该叶肉细胞具有该植物的全部____________。 (2)把试管苗转接到新的培养基上时，需要在超净工作台上进行，其原因是避免________的污染。 (3)二倍体植物(基因型为Aa)的花粉离体培养获得的植株，进行____________________才能使其通过结实产生后代(甲)，否则该植株只有通过____________的方式才能产生后代(乙)。甲、乙两种植株中，能产生可育花粉的是________植株，该植株产生的可育花粉的基因组成种类数为________种。花药离体培养在育种上的意义是________________________________________________________________________。 答案：(1)遗传特性　快　遗传信息 (2)微生物 (3)染色体数目加倍　无性繁殖　甲　1　可明显缩短育种年限 解析：(1)植物组织培养属于无性繁殖，能保持亲本优良的遗传特性，且繁殖速度快。叶肉细胞具有全能性，具有该植物的全部遗传信息，可经植物组织培养形成完整个体。(2)植物组织培养全过程需要无菌操作，以防止微生物污染。(3)二倍体植物的花粉离体培养获得的植株是单倍体，无法产生配子，只有使其染色体数目加倍才能通过结实产生二倍体后代(甲)，否则只能通过无性繁殖的方式继续产生单倍体的后代(乙)。甲植株是二倍体，能通过减数分裂产生可育花粉，乙植株是单倍体，无法通过减数分裂产生花粉。原二倍体植株的基因型是Aa，其花粉的基因组成是A或a，所以甲植株的基因型是AA或aa，其产生的可育花粉的基因组成为A或a中的1种。花药离体培养在育种上的意义是可明显缩短育种年限。 学科网（北京）股份有限公司 $$