2.1.2 植物细胞工程的应用- 2024-2025学年高二生物同步课堂精优课件（人教版2019选择性必修3）

视频:中华九大仙草之首——铁皮石斛 解决问题：如何实现铁皮石斛的工厂化生产？ 铁皮石斛，兰科石斛属植物，茎直立、圆柱形，花期3～6月，生于海拔1600m左右的山地半阴湿的岩石上。铁皮石斛富含某些糖类和生物碱，可以用来提取药物。 驱解虚热，养胃生津、提高免疫力、延年益寿等疗效、观赏价值。 第2章 细胞工程 第1节 植物细胞工程 第2课时 植物细胞工程的应用 本节聚焦 1、植物细胞工程在生产实践中有哪些应用？ 2、植物细胞工程应用于生产实践的主要优势是什么？ 1、什么是快速繁殖技术？优点、应用实例？ 2、作物脱毒的原因？取材、脱毒方法、优点、应用实例？ 3、单倍体育种的过程、优点、应用实例？ 4、突变体产生的原因？如何利用及原理？应用实例？ 5、什么是初生代谢和次生代谢，产物分别有哪些？次生代谢物的用途和缺点？ 6、什么是细胞产物的工厂化生产？什么是植物细胞培养？有何优点？细胞产物工厂化生产实例？ 阅读课本39-41页，回答以下问题： 自主探究 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，称植物的快速繁殖技术，也叫微型繁殖技术。 (2)原理： 植物细胞的全能性 (3)优点： ①选材少，繁殖率高，可以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（无性繁殖 ） ③不受自然生长季节的限制; ④培养周期短 一、植物繁殖的新途径 外植体 愈伤组织 人工胚状体 (或根/芽) 幼苗 脱分化 再分化 完整植株 注意：扦插、压条、嫁接等不属于微型繁殖技术。 什么是快速繁殖技术？优点、应用实例？ 4.实例： 石斛：驱解虚热，益精强阴等疗效、观赏价值。 兰花：名贵花卉，具有极高的观赏价值，入药。 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自然繁殖速度缓慢，繁殖效率低下或优良性状不易保持的植物。 连翘：清热解毒、散结消肿的作用,观赏价值。 问题:植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么？ 植物组织培养到愈伤组织阶段，细胞进行旺盛、快速的有丝分裂，从而获得大量的组织细胞。不断地对愈伤组织进行分割、移瓶、诱导再分化就可以形成大量的新植株。另外，植物组织培养在实验室进行，一般不受季节、气候等条件的限制。 1、快速繁殖： 一、植物繁殖的新途径 视频:脱毒马铃薯 2、作物脱毒： (1)作物脱毒的原因： 马铃薯、草莓和香蕉等通常是用无性繁殖的方式进行繁殖的，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。 一、植物繁殖的新途径 马铃薯 草莓 香蕉 脱分化 愈伤组织 顶端分生区（如茎尖）：病毒极少，甚至无病毒 （3）原理: （2）取材及脱毒方法 再分化 脱毒苗 植物细胞的全能性 二者无本质区别，只是取材部位不同。 作物脱毒的原因？取材、脱毒方法、优点、应用实例？ 脱毒苗与微型繁殖有何区别？ （4）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 注：脱毒苗不等于抗毒苗。 脱毒苗是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，属于细胞工程的范畴； 抗毒苗是把某抗病基因导入植物细胞，属于基因工程的范畴； （5）实例： 目前采用茎尖组织培养技术脱去病毒，已在马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等许多作物上获得成功。 甘蔗 香蕉 马铃薯 菠萝 脱毒草莓 普通草莓 视频：利用植物组织培养可以做什么？ 1、判断下列说法是否正确。 ①葡萄的扦插、桃树的嫁接、石榴的压条繁殖方式都属于微型繁殖。( ) ②脱毒苗培育所选的组织培养材料可以来自植株的任何部位。( ) ③取茎尖分生组织进行组织培养，可获得抗毒苗。( ) ④作物脱毒与微型繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。（ ） ⑤从植物体上获取任何细胞，经组织培养得到的植株与亲本性状一定都完全一致。（ ） × × × × √ 课堂练习 2、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( ) A.在不同的培养阶段，培养基中的 激素种类和比例不同 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的特性 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 现有紫色非甜玉米（基因型AASS）和白色甜玉米（基因型aass），如何获得纯种的紫色甜玉米（基因型AAss）？ 解决问题 传统方法：杂交育种 P： 紫色非甜玉米 AASS × 白色甜玉米 aass F1 紫色非甜玉米 AaSs ↓ 第1年 × 选育出需要的纯种 F2 A_S_ A_ss aaS_ aass 紫甜 第2年 第3年 × 生长 A_ss F3 第4年 原理： 缺点： 通过杂交把两亲本的优良性状组合在同一后代中(基因重组)。 多年纯化和选择，才得到符合理想要求的新品种。 新的问题：如何解决育种时间过长的问题？ 二、作物新品种的培育 1、单倍体育种 （2）过程: （1）单倍体： 由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而成的个体。 花药离体培养 诱导染色体加倍 二倍体植株 单倍体植株 二倍体植株 （纯合子） （秋水仙素处理） （3）原理： 染色体数目变异、植物细胞的全能性 抑制有丝分裂前期纺锤体的形成 稳定遗传优良品种 花药 愈伤组织 单倍体幼苗　 脱分化 再分化 配子： AS As aS as AS As aS as 秋水 仙素 AAss aaSS aass AASS 紫甜玉米 P 紫色非甜玉米 AASS × 白色甜玉米 aass F1 紫色非甜玉米 AaSs 第1年 单倍体幼苗： 纯合体: 第2年 单倍体育种 花药离体培养 单倍体育种的过程、优点、应用实例？ 二、作物新品种的培育 1、单倍体育种 （4）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。 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。 ②后代都是纯合子，能稳定遗传。 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。 （5）实例： 我国培育的单育1号烟草是世界上第一个单倍体作物新品种。 缺点：操作复杂 早在1974年就成功地培育出单育1号烟草,后来把单倍体育种与常规育种结合起来，育成了水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物的新品种。 二、作物新品种的培育 2、突变体的利用 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。 （1）产生原因： （2）过程： 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 突变体 筛选培育 新品种 诱变处理 思考：诱变处理的对象？为什么？产生的变异一定符合需要吗？ 不一定，因为突变是不定向的。 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(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。 （3）原理： 突变(基因突变和染色体变异）和植物细胞的全能性。 突变体产生的原因？如何利用及原理？应用实例？ （4）优点： （5）缺点： 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。 （6）实例： 已筛选出抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体，如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草。 抗花叶病毒的甘蔗 抗盐碱的烟草 抗除草剂白三叶草 二、作物新品种的培育 2、突变体的利用 视频：紫杉醇是什么？能不能运用植物细胞工程技术来生产紫杉醇？ 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。 1、植物的代谢 三、细胞产物的工厂化生产 什么是植物细胞培养? 意义 进行时间 代谢物 初生代谢 次生代谢 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。 红豆杉→紫杉醇 紫草→紫草宁 生物生长和生存所必需的代谢活动 在整个生命过程中一直进行 糖类、脂质、蛋白质、核酸等 不是生物生长所必需 一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等） 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 次生代谢物用途： 应用多、产量很低、提取破坏植物资源，有些产物不能或难以通过化学合成途径得到。 次生代谢物缺点： 什么是初生代谢和次生代谢，产物分别有哪些？次生代谢物的用途和缺点？ 2、细胞产物的工厂化生产 三、细胞产物的工厂化生产 (1)概念： 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。 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。 植物细胞培养 (2)技术: (3)过程： 外植体 脱分化 愈伤组织 振荡分散 细胞悬液 细胞悬浮培养 提取 细胞产物 快速高效，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)优点： 该过程中是否需要培养得到完整植株？ ①一般只培养到愈伤组织阶段。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。 什么是细胞产物的工厂化生产？什么是植物细胞培养？有何优点？细胞产物工厂化生产实例？ 2、细胞产物的工厂化生产 三、细胞产物的工厂化生产 (5)实例： 紫草宁、紫杉醇、人参皂苷、三七等的植物细胞工程产品。 紫草→紫草宁 本质：是从紫草细胞中提取的一种药物和色素。 作用：具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性。 生产：20世纪80年代利用植物细胞培养生产的紫草宁投入市场，成为世界上首例药用植物细胞工程产品。 紫草宁 红豆杉→紫杉醇 本质：存在于红豆杉属植物体内的一种次生代谢物。 作用：具高抗癌活性，现已广泛用于乳腺癌等癌症的治疗。 生产：传统方法：从红豆杉的树皮和树叶中提取，缺点是野 生红豆杉是濒危植物，这种方法不利于对它们的保护。 现在：我国科学家筛选出了高产紫杉醇的细胞。 紫杉醇 我国科学家早在1963年就成功地培育了人参的组织； 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。 人参皂苷 四种育种方法的比较 育种方法 原理 过程 优点 快速繁殖   脱分化、再分化 保持优良品种的遗传特性 单倍体 育种 细胞的 、 ; 、 诱导染色体数目加倍 明显缩短 . 突变体 的利用 基因突变、细胞的 ; 对愈伤组织进行诱变处理后再筛选 提高 ，获得优良性状 植物体细 胞杂交 细胞膜的 、 细胞的 ; 融合、 杂种细胞组织培养 打破 ， 实现 。 细胞的全能性 全能性 突变率 全能性 染色体变异 先花药离体培养 再秋水仙素 育种年限 流动性 全能性 植物细胞 生殖隔离 远缘杂交 “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 手指植物 保持优良性状 快速大量繁殖 快速 繁殖 作物 脱毒 选择根尖 茎尖、芽尖 选择花粉培养 单倍体 加倍 单倍体育种 化学物理因素诱导筛选 突变体利用 植物繁殖新途径 作物新品种的培育 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 胚状体 试管苗 细胞产物的工厂化生产 内容小结 课堂练习 1、如图是利用某种植物(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，下列叙述错误的是( ) A.过程②通常使用的试剂是秋水仙素，作用时期为细胞有丝分裂前期 B.通过过程①②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或植物生长调节剂 D.与杂交育种相比，该育种方法的优点是能明显缩短育种的年限 B 2.下图表示玉米 (2n=20)的花药离体培养及单倍体育种的大致过程。下列叙述错误是（ ） A.过程①是脱分化，形成的愈伤组织细胞处于未分化状态 B.过程②进行的是有丝分裂，植株是从试管苗中筛选出的可育二倍体 C.过程①和②均要使用生长素和细胞分裂素，但两种激素的比例不同 D.可用体积分数为70%的酒精对花药进行消毒处理 B 课堂练习 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 4.运用植物悬浮细胞培养技术，可以大量生产药效成分。下面是获得植物悬浮细胞的操作流程图。相关叙述错误的是(　　) A．X为愈伤组织，过程①涉及的主要原理是植物细胞具有全能性 B．过程②通过振荡来分散细胞，是因为愈伤组织细胞壁薄、排列疏松 C．过程③中探究的培养条件可以是接种量、pH、温度、光照等 D．悬浮细胞培养生产药效成分可缓解药用植物资源紧缺等 A　 B　 课堂练习 5．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 6.将紫草细胞进行细胞培养，诱导其脱分化产生愈伤组织，再对愈伤组织进行悬浮培养使其大量增殖，以获取大量的紫草宁。下列关于紫草宁的工厂化生产的叙述，错误的是(　　) 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.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产物 D.培养的细胞收集后一般要破碎提取有效成分 C C 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（P42） 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F1（AaSusu）再进行自交，F2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？请你提出相关实验的设计思路。 二、拓展应用 练习与应用（P42） 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。 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。 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。 二、拓展应用 练习与应用（P42） Lavf58.51.100 FormatFactory : www.pcfreetime.com Lavf58.51.100 Lavf58.33.100 花粉幼苗A植株B $$