第2章 第2节 植物细胞工程的应用-【新课程学案】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程教师用书word（苏教版）

第二节 植物细胞工程的应用 学习目标 1.通过对植物细胞工程应用实例的分析,了解这些应用涉及的技术流程和应用的优势。　 2.认同植物细胞工程在生产实践中具有重要的应用价值。 知识点(一)　植物组织培养技术的应用 [教材知识梳理] 　　1.人工种子 概念 是指将在植物组织培养中得到的胚状体和具有养分的人工胚乳包埋在具有保护功能的人工种皮中,在适宜的条件下能够生根发芽的颗粒体 结构 制备 外植体愈伤组织胚状体包裹人工种皮和胚乳人工种子 优点 制种快且不受季节限制;人工胚乳可提供更好的营养供应,还可提供相应成分增强抵抗疾病的能力 　　2.快速繁殖 概念 用于快速繁殖优良植物品种的植物组织培养技术,又称“微型繁殖技术” 特点 ①保持优良植物品种的遗传特性; ②繁殖速度快; ③不受季节和恶劣天气的影响; ④可以进行全年连续生产,大大提高了生产效率 实例 批量生产蔬菜、果树、林木和花卉等的种苗 　　3.培育脱毒植物 取材 植物生长点部位或花药(该部位病毒浓度很低甚至无病毒) 优点 可以降低或者去除病毒的感染 实例 马铃薯、甘蔗、草莓、百合等脱毒苗 　　4.种质保存 材料 可以是植物的悬浮细胞,也可以是愈伤组织或胚状体,还包括原生质体、花粉、幼胚、芽或茎尖分生组织等 原理 在-196 ℃的条件下,活细胞内的物质代谢和生命活动几乎完全停止,细胞、组织、器官在超低温保存过程中不会引起遗传性状的改变,也不会丧失形态发生的潜能 优点 比保存植物的种子更为有利和经济,还能在需要的时候迅速且大量地繁殖植物 [核心要点点拨] 　　两种植物繁殖新途径比较 繁殖新途径 取材 优点 技术 快速繁殖 (微型繁殖) 取材广泛 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 植物 组织 培养 作物脱毒 生长点部 位或花药 获得高产、优质的无病毒植物 　　[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 [解析]　在脱分化过程中,1号培养基中的愈伤组织是排列不规则的、不定形的薄壁组织团块,A错误;愈伤组织细胞分化时可能会发生基因突变,而基因重组一般发生在减数分裂过程中,愈伤组织细胞的分化过程进行的是有丝分裂,所以不会发生基因重组,B错误;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应该小于1,C错误;百合分生区附近的病毒极少,甚至无病毒,因此可以作为该研究中的外植体,D正确。 [答案]　D [层级训练评价] (一)澄清概念 1.判断下列叙述的正误 (1)茎尖培养可用于植物脱除病毒。 (√) (2)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。 (×) (3)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。 (×) (4)用人工薄膜将胚状体、愈伤组织等分别包装可制成人工种子。 (×) (5)作物脱毒后不再感染病毒。 (×) (6)植物生长点部位没有维管束,病毒难以进入,因此这些部位病毒浓度很低甚至无病毒。 (√) (二)落实知能 2.人们利用植物的微型繁殖技术来进行工厂化生产,这是利用了该项技术的哪些特点 (　　) A.操作简单 B.使优良性状组合在一起 C.培育新的性状 D.高效性和保持种苗的优良遗传特性 解析:选D　植物微型繁殖即植物组织培养,具有高效、快速及保持种苗的优良遗传特性的特点,D正确。 3.(2025·淮安月考)通常人工种子包括胚状体、人工胚乳和人工种皮三部分,可用于大量、快速繁殖优良品种。下列叙述错误的是 (　　) A.胚状体可用植物组织培养产生的芽代替 B.人工种子在适宜条件下发芽成苗,属于脱分化 C.人工胚乳中含有胚状体萌发所需要的矿质元素、植物激素等 D.人工种皮具备透气性,有利于胚状体进行有氧呼吸 解析:选B　可用植物组织培养产生的芽代替胚状体,A正确;人工种子在适宜条件下发芽成苗,不属于脱分化,B错误;人工胚乳应该含有植物激素、矿质元素和糖等物质,以保证胚状体的正常生长,C正确;人工种皮具备透气性,可以保证胚状体进行有氧呼吸时对氧的需求,以保持胚状体的活力,D正确。 4.(2025·扬州月考)病毒感染蔬菜、花卉、果树后,会借助胞间连丝等结构扩散,导致其产量和品质退化。但是被感染的植株茎尖分生组织的细胞中通常不含病毒,可以利用这些部位的细胞,快速生产出脱毒苗。下列叙述正确的是 (　　) A.植株茎尖分生组织的细胞中不含病毒的原因可能是该组织胞间连丝不发达 B.细胞壁无选择透过性,在抵御病原体侵害方面不起作用 C.胞间连丝是所有植物细胞间物质运输和信息交流的通道 D.生产脱毒苗的过程不需要用到植物组织培养技术 解析:选A　由题意可知,病毒会借助胞间连丝等结构扩散,因此植株茎尖分生组织中不含病毒的原因可能是该组织胞间连丝不发达,A正确;茎尖分生区细胞几乎不含病毒,由此推测细胞壁可以抵御病原体侵害,B错误;高等植物细胞可以通过胞间连丝进行物质运输和信息交流,C错误;生产脱毒苗的过程需要用到植物组织培养技术,D错误。 (三)迁移应用 5.(2025·无锡月考)茎尖超低温疗法是一种马铃薯脱毒方法。科学家以单病毒PLRV(马铃薯卷叶病毒)、PVS(马铃薯S病毒)感染的马铃薯试管苗为实验材料,对不同大小的茎尖进行超低温处理后,再生培养,选取培养18周的20棵植株进行检测以获得病毒保存率,实验结果如下表所示。下列说法不正确的是 (　　) 病毒感染类型 茎尖大小/mm 病毒保存率/% PLRV 0.5 0(0/20) 1.5 35(7/20) PVS 0.5 100(20/20) 1.5 100(20/20) 注:括号内数字表示检测阳性样本量/检测总样本量。 A.超低温处理后的再生培养利用了植物组织培养技术 B.再生培养时培养基中应加入有机碳源和植物激素等 C.1.5 mm的茎尖超低温脱毒效果优于0.5 mm的茎尖 D.PLRV和PVS必须在宿主细胞内才能进行增殖 解析:选C　超低温处理后进行再生培养所用的技术手段是植物组织培养,其培养基中需要加入有机碳源和植物激素等,A、B正确。由题表可知,PLRV感染的试管苗,0.5 mm的茎尖超低温脱毒效果优于1.5 mm的茎尖;PVS感染的试管苗,1.5 mm的茎尖超低温脱毒效果与0.5 mm的茎尖相同,C错误。PLRV和PVS没有细胞结构,没有独立的新陈代谢能力,必须在宿主细胞内才能进行增殖,D正确。 知识点(二)　植物细胞培养技术的应用 [教材知识梳理] (一)植物细胞代谢产物的工厂化生产 1.细胞代谢产物:植物生长到一定阶段后,会通过代谢合成一些物质,它们可能对该植物无明显生理功能,也不是该植物生长和繁殖所必需的,但这些植物细胞代谢产物可能是珍贵的药物等。 2.应用与实例 获得许多重要的细胞代谢产物 治疗疟疾的药物——奎宁;抗肿瘤药物——紫杉醇 成为工业化生产相关植物产品的有效途径 药物——人参皂苷;食品添加剂——食用色素、甜味剂 用于农副业生产 大规模培养桑叶的叶肉细胞,可制作成家蚕的饲料 　　3.优点:不仅快速、高效,而且不受季节、外部环境等条件的限制。 [微提醒] 　　植物细胞代谢产物工厂化生产实质上是植物组织培养的过程,在生产中通常要培养到愈伤组织阶段。 　　(二)单倍体育种 1.育种思路 2.过程 过程分析: (1)成熟的花药由花药壁和花粉囊及其中的花粉等结构组成。 (2)经过适当的诱导,花粉囊中的花粉可发育成单倍性的胚状体或愈伤组织,最终形成单倍体植株。 (3)用质量分数为0.02%~0.4%的秋水仙素溶液诱导单倍体植株的某些阶段(如形成愈伤组织时期或幼胚时期),可获得染色体数目加倍的,能正常生长发育并开花、结果的二倍体植株。 3.优点:可以大大缩短育种的年限,且可以获得具有稳定遗传特性的优良品种,节约了人力物力。 4.实例:小麦、黑麦、玉米单倍体植株。 [核心要点点拨] 　　(一)图示法理解植物细胞代谢产物的工厂化生产 1.过程 2.实例:工厂化生产人参皂苷干粉 3.优点:提高生产速度、便于操作管理。 (二)植物组织培养技术和植物细胞培养技术的比较 比较 项目 植物组织培养技术 植物细胞培养技术 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 过程 应用 快速繁殖、培育脱毒植物、种质保存等 植物细胞代谢产物的工厂化生产等 　　(三)几种育种方法的比较 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 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 细胞质膜的流动性、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 [层级训练评价] (一)澄清概念 1.判断下列叙述的正误 (1)工厂化生产的细胞产物来自愈伤组织细胞。 (√) (2)工厂化生产的细胞次生代谢物,其化学成分都是蛋白质。 (×) (3)单倍体育种的过程就是花药离体培养的过程。 (×) (4)植物细胞、组织等在超低温保存过程中不会引起遗传性状的改变,也不会丧失形态发生的潜能。 (√) (二)落实知能 2.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 解析:选A　有些产物不能或难以通过化学合成途径得到,但可利用植物细胞培养技术得到,A正确;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,故可通过该技术进行植物细胞产物的工厂化生产,B错误;一般认为次生代谢物不是植物基本的生命活动所必需的,其含量少,可以通过增加细胞的数量来增加次生代谢物的产量,C错误;该技术主要利用促进细胞分裂的培养条件,提高多个细胞中次生代谢物的总含量,而不能提高单个细胞中次生代谢物的含量,D错误。 3.紫杉醇是红豆杉树皮产生的细胞代谢产物,可阻碍肿瘤细胞的分裂。下图为通过植物组织培养生产紫杉醇的途径,下列有关叙述正确的是 (　　) A.红豆杉的树皮作外植体更容易获得紫杉醇 B.过程①表示脱分化,基因发生选择性表达 C.过程②需在高浓度蔗糖溶液中用酶处理 D.过程③表示再分化,遗传物质未发生改变 解析:选B　树皮中很多是死细胞,故选取红豆杉树皮做外植体不易获得紫杉醇,应选择幼嫩的茎尖、芽尖等部位作为外植体,A错误;过程①表示脱分化,脱分化过程中基因发生选择性表达,B正确;高浓度蔗糖溶液易使细胞过度脱水而死亡,过程②需在等渗蔗糖溶液中用酶处理,C错误;过程③未发生再分化,D错误。 4.(2025·徐州质检)用纯种的高秆(D)抗锈病(T)小麦与矮秆(d)易染锈病(t)小麦培育矮秆抗锈病小麦新品种的方法如下: 下列有关此育种方法的叙述,正确的是 (　　) A.这种育种方法叫杂交育种 B.过程④必须使用生长素处理 C.这种方法的最大优点是缩短育种年限 D.③过程必须经过受精作用 解析:选C　据图分析可知,该育种方法为单倍体育种,可以明显缩短育种年限,A错误,C正确。过程①是杂交,过程②是减数分裂产生配子,过程③是花药离体培养,过程④是用秋水仙素处理使单倍体的染色体数目加倍,B错误。③过程利用了植物组织培养技术,不需要受精,而是由雄配子直接发育成幼苗,D错误。 (三)迁移应用 5.(2025·湖北高考)水母雪莲是我国的一种名贵药材,主要活性成分为次生代谢产物黄酮。水母雪莲生长缓慢,长期的掠夺性采挖导致该药材资源严重匮乏。研究人员开展了悬浮培养水母雪莲细胞合成黄酮的工程技术研究,结果如表所示。下列叙述错误的是 (　　) 转速/(r/min) 55 65 75 85 相对生长速率 0.21 0.25 0.26 0.25 细胞干重/(g/L) 7.50 9.70 11.4 9.50 黄酮产量/(g/L) 0.20 0.27 0.32 0.25 A.黄酮产量与细胞干重呈正相关 B.黄酮是水母雪莲细胞生存和生长所必需的 C.氧气供给对于水母雪莲细胞生长、分裂和代谢是必需的 D.转速为75 r/min时既利于细胞分裂,又利于黄酮的积累 解析:选B　根据表格数据分析,随着细胞干重增加,黄酮产量也增加;随着细胞干重减少,黄酮产量也降低,说明黄酮产量与细胞干重呈正相关,A正确。黄酮属于次生代谢产物,次生代谢产物不是细胞生存和生长所必需的,B错误。氧气的供给有利于细胞呼吸为生命活动提供能量,对水母雪莲细胞生长、分裂和代谢是必需的,C正确。根据表格数据分析,转速为75 r/min时,细胞的相对生长速率(0.26)最大,黄酮产量(0.32 g/L)最高,D正确。 /课堂小结与随堂训练/ 一、知识体系构建 二、关键语句必背 1.植物生长点部位没有维管束,病毒难以进入;采用植物芽尖组织培养的方法,可以大量繁殖脱毒植物种苗。 2.超低温保存植物材料的原理:在-196 ℃的条件下,活细胞内的物质代谢和生命活动几乎完全停止,细胞、组织、器官在超低温保存过程中不会引起遗传性状的改变,也不会丧失形态发生的潜能。 3.单倍体的育种思路是,先通过培育小孢子,获得单倍体植株幼苗,再诱导其染色体数目加倍,从而获得纯合二倍体植株。 三、素养好题训练 1.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　 解析:选B　以红豆杉叶为原料获得愈伤组织过程中只发生了细胞分裂,没有细胞分化,A错误;为保证O2供应充足,在培养过程中,要不断通入无菌空气并进行搅拌,使细胞与培养液充分接触,从而可获得更多的培养物,B正确;工厂化生产紫杉醇属于植物细胞培养技术的应用,C错误;紫杉醇的工厂化生产只培养到愈伤组织,没有体现植物细胞的全能性,D错误。 2.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　 解析:选D　根据题意可知,工业化生产过程中利用紫草植株部分组织诱导形成紫草愈伤组织的过程为细胞的脱分化,A正确;题干信息中工业化生产的流程为“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”,显然该过程中不必将愈伤组织培养出根、芽等器官且紫草素在细胞内合成后不会被分泌到细胞外,B正确,D错误;紫草的愈伤组织细胞含有细胞壁,因此其在低渗溶液中不会涨破,C正确。 3.如图表示利用高秆抗锈病玉米(基因型为AaBb,两对基因独立遗传)的花粉细胞生产人工种子的过程。下列有关叙述错误的是 (　　) A.花粉细胞融合前需用酶处理形成原生质体 B.①过程获得的融合细胞中纯合子占1/4 C.②过程获得的愈伤组织的全能性高于融合细胞 D.③过程改变植物激素的浓度和比例不影响结果　 解析:选D　花粉细胞具有细胞壁,融合前需用纤维素酶和果胶酶处理形成原生质体,A正确;高秆抗锈病玉米的基因型为AaBb,产生的花粉细胞的基因型为1/4AB、1/4Ab、1/4aB、1/4ab,因此①过程获得的融合细胞中纯合子(基因型为AABB、AAbb、aaBB、aabb)占1/4×1/4+1/4×1/4+1/4×1/4+1/4×1/4=1/4,B正确;分化程度越低,全能性越高,②过程通过脱分化获得愈伤组织,故愈伤组织的全能性高于融合细胞,C正确;③表示再分化过程,当生长素用量比细胞分裂素用量,比值高时,有利于根的分化、抑制芽的形成;比值低时,有利于芽的分化、抑制根的形成,因此③过程改变植物激素的浓度和比例会影响结果,D错误。 4.(2025·苏州期末)肉苁蓉具有较高的药用价值,自然条件下的产量较低,其次生代谢物苯乙醇苷(PeGs)是主要活性成分。研究人员以外植体诱导出愈伤组织,进一步进行细胞悬浮培养。在不同的初始接种浓度下培养一段时间后,对悬浮培养液的PeGs进行测定,结果如下图所示。下列有关叙述,错误的是 (　　) A.植物细胞培养几乎不受季节、天气等限制,条件可控 B.愈伤组织培养时需用固体培养基,细胞悬浮培养时需用液体培养基 C.若工厂化大量生产PeGs,细胞悬浮培养时就应选择接种细胞的浓度为3.2 g·L-1 D.若需进一步了解细胞生成PeGs的能力,则要检测培养后培养液中的细胞密度 解析:选C　植物细胞培养使用人工配制的培养液,可以人为控制其生长环境,故植物细胞培养几乎不受季节、天气等限制,条件可控,A正确;愈伤组织培养时需用固体培养基,细胞悬浮培养时需用液体培养基,B正确;若工厂化大量生产PeGs,细胞悬浮培养时选择接种细胞的浓度应在2.4至4.0 g·L-1之间设置梯度浓度找到最适浓度,C错误;若需进一步了解细胞生成PeGs的能力,要检测培养后培养液中的细胞密度,D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $