2.1.2植物细胞工程的应用 课件 2024—2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

二　植物细胞工程的应用 学习目标: 1.列举植物细胞工程在植物繁殖新途径方面的应用。 2.列举植物细胞工程在作物新品种培育方面的应用。 3.概述细胞产物的工厂化生产。 4.认同植物细胞工程在生产实践中具有重要的应用价值。 目录 01 一、植物繁殖的新途径 一、植物繁殖的新途径 1. 快速繁殖 （1)概念： (★扦插、压条、嫁接等不属于微型繁殖技术,属于营养繁殖) ①高效、快速地实现种苗的大量繁殖； ③不受自然生长季节的限制，培养周期短； （2)优点： ④选材少，繁殖率高，便于自动化管理，实现产业化生产。 ②无性繁殖，亲、子代细胞DNA相同，所以可以保持优良品种的遗传特性； 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。 （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都实现了利用快速繁殖技术来提供苗木。甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产,已形成一定规模。 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。 铁皮石斛的产业化生产 蝴蝶兰试管苗 红薯试管苗 香蕉试管苗 春兰试管苗 快 速 繁 殖 部 分 成 果 西瓜试管苗 一、植物繁殖的新途径 2.作物脱毒 背景: 生姜是药食两用的经济作物，在生产上由于长期采用无性繁殖，生姜容易感染多种病毒，病毒在作物体内逐年积累，且很容易传递给后代，就会导致作物产量降低，品质变差，生长缓慢，一般减产30%-50%。采取怎样的措施能避免这些情况发生? 相关信息: 植物顶端分生区附近（如茎尖）的病毒极少，甚至无病毒。（植物分生区细胞繁殖较快， 无维管束，病毒难以进入） （1)选材部位： 植物顶端分生区附近（如茎尖、芽尖、根尖） 原因：_________________________________ 该部位的病毒极少，甚至无病毒 （2)方法： 试管苗 脱毒苗 筛选 鉴定 植物组织培养 ★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。 （3)脱毒产品 马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等 脱毒草莓 脱毒马铃薯田与被病毒感染未脱毒马铃薯叶片 香蕉 菠萝 甘蔗 普通草莓 蒜 马铃薯 （4)优点： 提高作物产量和品质。如脱毒的马铃薯和未 脱毒的马铃薯产量要提高50%以上。 繁殖新途径 取材 优点 技术 快速繁殖 (微型繁殖) 作物脱毒 比较两种植物繁殖新途径 脱毒苗≠抗毒苗。脱毒苗是选择植物的顶端分生区(几乎不含有病毒)进行组织培养而获得的,属于细胞工程的范畴;而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。 [微提醒] 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 顶端分生 区附近 获得高产、优质的无病毒植物 植物 组织 培养 取材广泛 一、植物繁殖的新途径 植物常见的无性繁殖方式——营养繁殖（利用营养器官：根、叶、茎等繁殖后代） 扦插 压条 嫁接 [典例](2024·甘肃高考)兰州百合栽培过程中易受病毒侵染,造成品质退化。某研究小组尝试通过组织培养技术获得脱毒苗,操作流程如下图。下列叙述 正确的是 ( 　 ) A.①为脱分化过程,1号培养基中的愈伤组织是排列规则的薄壁组织团块 B.②为再分化过程,愈伤组织细胞分化时可能会发生基因突变或基因重组 C.3号培养基用于诱导生根,其细胞分裂素浓度与生长素浓度的比值大于1 D.百合分生区附近的病毒极少,甚至无病毒,可以作为该研究中的外植体 D 1.判断 (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)脱毒草莓能明显提高产量,但品质没有发生变化。 ( ) (4)作物脱毒所培养的材料常选自顶端分生组织。 ( ) (5)快速繁殖本质上是一种无性繁殖。 ( ) √ × × √ √ 知识巩固 【层级训练评价】 (蓝本P45) T2、4 知识巩固 目录 02 二、作物新品种的培育 单倍体育种的优点： . 明显缩短育种年限 P 高杆抗病 DDTT × 矮杆锈病 ddtt F1 高杆抗病 DdTt ↓ F2 D_T_ D_tt ddT_ ddtt ddTT ↓ 第 1年 第 2年 第 3~6年 × × 需要的矮抗品种 矮抗 现有纯合的高秆抗病小麦（DDTT）和矮秆锈病小麦(ddtt)，怎样得到稳定遗传的矮秆抗病（ ）的优良品种？你能想到几种育种方法？ 花药离体培养→ P 高杆抗病 DDTT × 矮杆锈病 ddtt F1 高杆抗病 DdTt 配子 DT Dt dT dt DT Dt dT dt DDTT DDtt ddTT ddtt ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 纯合体 ↑ 需要的矮抗品种 第 1年 第 2年 人工诱导 染色体加倍 → 杂 交 育 种 单 倍 体 育 种 缺点:年限长 ddTT 1. 单倍体育种 (1)方法步骤： ①花药离体培养 ； 植物细胞的全能性、 染色体变异 (2)过程： 花药离体培养 单倍体 幼苗 人工诱导 染色体加倍 (秋水仙素) 纯合 二倍体 筛选 优良性状 纯合体 愈伤组织 脱分化 再分化 (3)原理： 二、作物新品种的培育 ①明显缩短育种年限，节约大量的人力和物力。 ②子代全是纯合子，自交后代不发生性状分离，能稳定遗传。 (4)优点： 原理:能够抑制纺锤体的形成,导致着丝粒分裂后的染色体不能移向细胞两极,从而引起细胞内染色体数目加倍。 ② 人工诱导染色体加倍 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。 思考：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？ ①我国科学家在1974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我国科学家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。 (5)实例： (教材P40“图2-7”拓展训练)根据玉米单倍体育种流程示意图,回答下列问题: (1)A是指________________,①过程要经过_________________过程形成B植株。 (2)②过程表示_______________________。 (3)B、C植株分别是________、____________。 (4)单倍体育种能为体细胞诱变育种和研究遗传突变提供理想材料的原因 是_______________________________________________________________。 花药离体培养 脱分化和再分化 人工诱导染色体加倍 单倍体 纯合二倍体 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 2.突变体的利用 （1）产生原因： 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。这里的处于不断增殖状态的细胞主要指的是愈伤组织细胞。 （2）原理： 和植物细胞的全能性 基因突变 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 试管苗 植株 筛选 有用的 突变体 诱变 （3）过程： 二、作物新品种的培育 （5）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、抗盐碱的烟草等。 （4）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。 缺点： 由于突变的低频性和多害少利性，有利性状比较少，需要大量处理实验材料。 抗除草剂白三叶草 抗花叶病毒的甘蔗 抗盐碱的烟草 育种方法 原理 过程 优点 快速繁殖 单倍体育种 突变体育种 植物体细胞杂交 几种育种方法的比较: 植物细胞的全能性 保持优良品种的 遗传特性 植物细胞的全能性、染色体变异 花药离体培养； 人工诱导染色体数目加倍 明显缩短育种年限 基因突变、 植物细胞的全能性 产生新基因,大幅 度改良某些性状 细胞质膜的流动性、 植物细胞的全能性 植物体细胞融合、植物组织培养 打破生殖隔离, 实现远缘杂交 目录 03 三、细胞产物的工厂化生产 三、细胞产物的工厂化生产 1.植物的代谢产物 (1)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，初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质、核酸等。 (2)次生代谢物： ①概念: ②作用：在植物抗虫、抗病等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。 ③特点：含量很低，从植物组织中提取会大量破坏植物资源，有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到。 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。 概念: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。 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。 2.技术手段 3.优点： 4.过程： 外植体 愈伤组织 脱分化 细胞悬液 液体培养基 5.原理： 细胞增殖 细胞产物 提取 ★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。 ——植物细胞培养 细胞群 增殖 有利于培养的细胞与 营养物质充分接触 紫草→紫草宁 蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱、紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。 6.例子： 紫草宁——抗菌、消炎和抗肿瘤，首例药用植物细胞工程产品。 红豆杉→紫杉醇 紫杉醇——具有高抗癌活性，广泛用于乳腺癌等癌症的治疗。 工厂化生产人参皂甙干粉过程: 人参根 　 愈伤组织 　　 增长速度快、细胞内人参皂甙含量高的细胞 大量细胞　　 提取人参皂甙干粉 脱分化 培养选择 破碎细胞 放入发酵罐 细胞增殖 人参→人参皂苷 a.乳腺癌、卵巢癌和肺癌的治疗特效（临床有效率>40%） c. 传统生产方法:从红豆杉树皮和树叶中提取。紫杉醇含量低:干树皮中的0.01% 为什么紫杉醇如此昂贵？ b.红豆杉属植物(濒危植物)体内产生一种次生代谢产物，资源稀缺 d. 生长缓慢:小苗50-70年成树、剥皮即死。 “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。 “手指植物” 比较项目 植物组织培养技术 植物细胞培养技术 目的 获得________ 获得___________ 培养基 _______培养基 _______培养基 原理 过程 应用 植物组织培养与植物细胞培养的比较: 植物体 细胞产物 固体 液体 植物细胞的全能性 细胞增殖 快速繁殖、培育脱毒苗和 单倍体育种等 细胞次生代谢物的工厂化生产如紫草宁、人参皂苷、紫杉醇等 [典例](2023·山东高考)利用植物细胞培养技术在离体条件下对单个细胞或细胞团进行培养使其增殖,可获得植物细胞的某些次生代谢物。下列说法正确的是 (　　 ) A.利用该技术可获得某些无法通过化学合成途径得到的产物 B.植物细胞体积小,故不能通过该技术进行其产物的工厂化生产 C.次生代谢物是植物所必需的,但含量少,应选择产量高的细胞进行培养 D.该技术主要利用促进细胞生长的培养条件提高单个细胞中次生代谢物 的含量 A 1.判断 (1)二倍体植株的花粉经脱分化与再分化后得到稳定遗传的植株。 ( ) (2)单倍体育种的过程就是花药离体培养的过程。 ( ) (3)工厂化生产的细胞次生代谢物，其化学成分都是蛋白质。 ( ) (4)通过植物细胞培养获得细胞产物,一般培养到愈伤组织阶段即可。( ) × × × √ 知识巩固 2.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 (　　) B 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 花粉 幼苗A 植株B 3.(2024·焦作期末)如图是通过植物细胞工程技术获得紫杉醇的途径,下列 有关叙述错误的是 (　　) A.需在无菌和人工控制的条件下进行 B.经过程①细胞的形态和结构发生了变化 C.该途径依据的原理是植物细胞具有全能性 D.紫杉醇是存在于红豆杉属植物体内的一种次生代谢物 C 4.紫杉醇是存在于红豆杉属植物体内的一种细胞代谢产物,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细胞分化 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.工厂化生产紫杉醇是植物组织培养技术的应用 D.紫杉醇的工厂化生产利用了植物细胞的全能性　 B 5.紫草素具有抗菌、消炎效果。在工业化生产中,取紫草植株部分组织诱 导形成紫草愈伤组织,再转入紫草素形成培养基,然后再将细胞破碎后提 取出紫草素。下列相关叙述,错误的是 (　　) A.工业化生产过程包括细胞的脱分化 B.在紫草素生产过程中，不必将愈伤组织培养出根、芽等器官 C.紫草的愈伤组织细胞在低渗溶液中不会涨破 D.紫草素在细胞内合成后被分泌到细胞外　 D 【层级训练评价】 (蓝本P47) T3、4、5 知识巩固 建构概念体系: 课下请完成课时跟踪检测（七） 不做T9(2、3)、 T10 38 Lavf58.51.100 $$