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

1.2 植物细胞工程的应用 1、概述植物细胞工程在生产实践中的具体应用和原理。 一、学习目标 二、重、难点 2、概述植物细胞工程应用于生产实践的主要优势 植物细胞工程在生产实践中的具体应用和原理。 课题背景 20世纪60年代，荷兰科学家成功地利用植物组织培养技术来培育兰花。目前，荷兰的兰花生产已发展成举世闻名的兰花产业。 我国组织培养技术也已经广泛应用于兰花种苗的规模化繁殖，使得名贵兰花的价格大幅下降，普通百姓也能购买和观赏。 结合上述资料和阅读教材39页，回答以下问题： 1.资料中的兰花繁殖利用了什么技术大量规模化生产？ 2.什么是快速繁殖技术？ 3.快速繁殖技术有哪些优点？ 4.快速繁殖技术用于产业化生产的实例有哪些？ 3 一、植物繁殖的新途径 用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，被人们形象地称为植物的快速繁殖技术，也叫作微型繁殖技术。 植物组织培养 植物细胞的全能性 (2) 实质： (3) 原理： (1) 概念： 1.快速繁殖 (4) 优点： 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不受自然生长季节的限制，培养周期短。 ④选材少，繁殖率高，便于自动化管理 4 一、植物繁殖的新途径 1.快速繁殖 (5) 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。 甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产，已形成一定规模。 铁皮石斛 桉树苗 甘蔗 扦插、压条、嫁接等不属于微型繁殖技术。 (6) 注意： 扦插、压条、嫁接等是营养繁殖，属于无性繁殖，但不属于微型繁殖技术 5 1、快速繁殖： 思考1： 思考2： 为什么植物组织培养可以进行快速繁殖？ 为什么快速繁殖技术可以保持优良品种的遗传特性？ 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。 该技术属于无性繁殖，培养过程中细胞有丝分裂、分化过程遗传物质保持不变，所获得的品种保持原优良品种的遗传特性。 S z L w h 其细胞分裂方式是有丝分裂，亲、子代细胞DNA相同，所以可以保持亲代优良的遗传特性。 马铃薯 草莓 香蕉 无性繁殖 病毒在作物体内积累 作物产量降低品质变差 2.作物脱毒 1.作物脱毒的原因： 作物病毒积累 感染的病毒很容易传给后代 普通草莓 脱毒草莓 在传统农业生产中，用无性繁殖方式繁殖的作物，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，导致作物产量降低、品质变差。 （二）作物脱毒： S z L w h 1.作物脱毒选用什么材料？选择该种材料的理由是？ 植物分生区细胞病毒少，甚至没有病毒 分生区（如茎尖）的细胞 2.脱毒过程： 脱毒苗与微型繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。 茎尖 脱分化 愈伤组织 再分化 芽、根 试管苗 脱毒苗 移栽 （植物分生区细胞繁殖快速，病毒来不及侵入） 原因：经水浴处理后，再组织培养效果更好：因水浴处理可延缓病毒增殖和扩散速度。 （水浴处理） （二）作物脱毒： S z L w h 注意： 　　 脱毒苗≠抗毒苗 ②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。 ①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： 抗病基因 导入 植物细胞 植物组织培养 完整植株 （二）作物脱毒： 9 易错判断： × × × × √ 体细胞 VS 花粉（生殖细胞） 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。（ ） 10 二、作物新品种的培育 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）？ 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 实际问题： 传统的育种方法： 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) 杂交育种 多年纯化和选择，才得到符合理想要求的新品种。 如何解决育种时间过长的问题？ S z L w h 二、作物新品种的培育 （一）单倍体育种： 单倍体： 由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而来的个体。 单倍体植株长得弱小，而且一般高度不育。 优良品种 花药 花粉 离体培养 单倍体 人工诱导 染色体加倍 选择 S z L w h 二、作物新品种的培育 （一）单倍体育种： 花药中的花粉 单倍体 幼苗 秋水仙素 处理 纯合体 筛选 优良性状 纯合体 愈伤组织 离体培养 脱分化 再分化 花药离体培养 (植物细胞的全能性) 思考：单倍体育种的目的是不是获得单倍体植株？ 育种原理？ 秋水仙素处理 (染色体数目变异) 能够抑制纺锤体的形成，导致染色体不能移向细胞的两极，从而引起细胞内染色体数目加倍。 1.过程： 单倍体育种≠花药（花粉）离体培养 S z L w h ①单倍体育种包括花药(花粉)离体培养和人工诱导染色体加倍，其结果是获得正常植株。 ②花药(花粉)离体培养的结果是获得单倍体植株（一般不育）。 （一）单倍体育种： 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。 2.优点： 3.实例： ①1974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把单倍体育种与常规育种结合，育成水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等新品种。 S z L w h ①单倍体育种包括花药(花粉)离体培养和人工诱导染色体加倍，其结果是获得正常植株。 ②花药(花粉)离体培养的结果是获得单倍体植株（一般不育）。 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： ①内因：培养细胞一直处于不断增殖的状态。 ②外因：受到培养条件和诱变因素（如射线、化学物质等）的影响。 （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 不一定，因为突变是不定向的。 诱变处理的对象？为什么？产生的变异一定符合需要吗？ 二、作物新品种的培育 15 （6）实例： （3）原理： （4）优点： 2. 突变体的利用 突变(基因突变和染色体变异）；植物细胞的全能性。 提高愈伤组织的突变率，加速育种进程。 难以控制突变的方向，有利性状比较少，需要大量处理实验材料。 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。 （5）缺点： 二、作物新品种的培育 16 育种方法 原理 主要过程 优点 快速繁殖 突变体 的利用 单倍体 育种 植物体细 胞杂交 植物细胞的全能性 脱分化、再分化 保持优良品种的遗传特性 基因突变、 植物细胞的全能性 对愈伤组织进行诱变处理后再筛选 提高突变率，获得优良性状 植物细胞的全能性、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 细胞膜的流动性、 植物细胞的全能性 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 四种育种方法的比较 A.过程②通常使用的试剂是秋①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 例.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 花粉 幼苗A 植株B ② ① 单倍体育种得到的都是纯合子 18 例、下列关于育种的说法，正确的是(　 　) A．杂交育种的原理是基因重组，基因重组发生在雌雄配子结合时 B．单倍体育种的原理是花药离体培养，优点是能明显缩短育种年限 C．多倍体育种中，秋水仙素和低温均作用于有丝分裂的后期使染色体数目加倍 D．培育高产青霉素菌株的原理是基因突变，发生在分裂间期 D 解析：杂交育种的原理是基因重组，基因重组发生在亲本减数分裂产生配子过程中，A项错误；单倍体育种的原理是染色体变异，所用方法是花药离体培养，优点是能明显缩短育种年限，B项错误；秋水仙素和低温都能抑制纺锤体的形成，作用于有丝分裂前期，C项错误；培育高产青霉素菌株属于诱变育种，原理是基因突变，发生在分裂间期，D项正确。 三、细胞产物的工厂化生产 1.植物的代谢 (1)初生代谢 ①含义： 是生物生长和生存所必需的代谢活动，整个生命过程一直进行。 ②产物： 有糖类、脂质、蛋白质、核酸等 (2)次生代谢 ①含义： ②产物： ③应用： ④缺点： 不是生物生长所必需的代谢活动，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。 一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等） 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。 a.植物次生代谢物含量很低； b.从植物组织提取会大量破坏植物资源； c.有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到。 20 三、细胞产物的工厂化生产 2.细胞产物的工厂化生产 (1)概念： (2)技术： 利用植物细胞培养来获得目标产物的过程。 植物细胞培养技术 ①概念： ②原理： 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 （液体培养基） 细胞增殖 (3)过程： 外植体 愈伤组织 细胞悬液 细胞产物 培养、提取、破碎 振荡分散 脱分化 一般培养到愈伤组织阶段即可 因为此时细胞分裂能力强，代谢快，产物多。 注意： ① 材料？ ②培养基？ （液体培养液）有利于培养的细胞与营养物质充分接触。 21 三、细胞产物的工厂化生产 2.细胞产物的工厂化生产 (4)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。 具有高抗癌活性，已被用于乳腺癌等癌症的治疗。 红豆杉→紫杉醇 抗菌、消炎和抗肿瘤，世界首例药用植物细胞工程产品 用组织培养技术生产的人参，生长速度比栽培人参约快100倍以上 人参→人参皂苷 10g左右 紫草→紫草宁 (5)实例： 22 脱分化 培养选择 细胞破碎 放入发酵罐 工厂化生产人参皂苷（ɡān）干粉的基本流程 人参根 愈伤组织 增长速度快且人参皂苷含量高的细胞 细胞增殖 人参皂苷粉 补充： S z L w h 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 原理 过程 应用 获得植物体 获得细胞产物 植物细胞的全能性 细胞增殖 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 24 到社会中去 P42 “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 25 例、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 C 解析：杂交育种的原理是基因重组，基因重组发生在亲本减数分裂产生配子过程中，A项错误；单倍体育种的原理是染色体变异，所用方法是花药离体培养，优点是能明显缩短育种年限，B项错误；秋水仙素和低温都能抑制纺锤体的形成，作用于有丝分裂前期，C项错误；培育高产青霉素菌株属于诱变育种，原理是基因突变，发生在分裂间期，D项正确。 C 例、紫草素是紫草细胞的次生代谢产物，可作为生产治疗烫伤药物的原料。研究人员欲通过植物细胞培养技术生产紫草素，下列相关操作不合适的是 (　 　) 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．培养基中要加入植物激素保证已分化的植物细胞脱分化形成愈伤组织 C．调节植物激素的种类和比例以保证愈伤组织再分化并得到完整的植株 D．在培养细胞的过程中要不断通入无菌空气以保证氧气的充足供应 解析：外植体消毒既可保证细胞活性也可减轻污染，A正确；脱分化过程需要生长素和细胞分裂素的共同调节，B正确；生产紫草素利用的是愈伤组织，不需要进行再分化过程，C错误；培养过程中要保证无菌的环境，D正确。 紫杉醇是目前已发现的最优秀的天然抗癌药物，在临床上已经广泛应用于乳腺癌、卵巢癌和肺癌的治疗，如图是通过植物细胞工程技术工厂化生产紫杉醇的途径。 (1)图中①过程为________，该过程需控制好培养基中__________________________________的比例。 (2)②过程为将愈伤组织分散成单个细胞，同时需要筛选出____________的细胞。 (3)③过程为__________________，其所依据的原理是______________。 脱分化 植物激素(或生长素和细胞分裂素) 高产紫杉醇 植物细胞培养 细胞增殖 (4)生产紫杉醇的过程能否体现植物细胞的全能性？说出你的理由。 提示：不能。获得紫杉醇的过程中离体的外植体并未发育成完整个体或分化成其他各种细胞，故并未体现细胞的全能性。 练习与应用 【提示】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 29 随堂小结·植物细胞工程的应用 植物细胞工程的 应用 快速繁殖技术 作物脱毒 单倍体育种 突变体的利用 次生代谢物 植物细胞培养 植物繁殖 的新途径 作物新品种 的培育 细胞产物的 工厂化生产 $$