資源簡介

細胞工程：
第3節　胚胎工程 第2課時　植物細胞工程的應用
學有目標 ——新課程標準必明 記在平時——核心語句必背
1.舉例說明植物細胞工程在生產實踐中的應用。 2．闡述植物細胞工程應用于生產實踐的主要優勢。 1.植物的快速繁殖技術不僅可以高效快速地實現種苗的大量繁殖，還可以保持優良品種的遺傳特性。 2．植物頂端分生區附近(如莖尖)的病毒極少，甚至無病毒，因此用分生區組織進行組織培養，再生的植株就有可能不帶病毒，從而獲得脫毒苗。 3．單倍體育種先通過花藥培養獲得單倍體植株，然后經過誘導染色體加倍，當年就能培育出遺傳性狀相對穩定的純合植株，極大地縮短了育種年限。 4．植物快速繁殖技術屬于無性繁殖，細胞產物的工廠化生產培養到愈傷組織階段即可。
[理清主干知識]
一、植物繁殖的新途徑
1．快速繁殖
(1)快速繁殖技術：用于快速繁殖優良品種的植物組織培養技術，也叫作微型繁殖技術。
(2)優點：①高效、快速地實現種苗的大量繁殖；②保持優良品種的遺傳特性。
(3)實例：蘭花、甘蔗、桉樹和鐵皮石斛等試管苗的生產。
2．作物脫毒
(1)選材部位：植物的頂端分生區附近，因為此處細胞內的病毒極少，甚至無病毒。
(2)優點：提高作物的產量和品質。
(3)實例：脫毒馬鈴薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠蘿和香蕉等作物的培育。
二、作物新品種的培育
1．單倍體育種
(1)過程
(2)優點
2．突變體的利用
(1)產生：在植物的組織培養過程中，由于培養細胞一直處于不斷增殖的狀態，因此它們容易受到培養條件和誘變因素(如射線、化學物質等)的影響而產生突變。
(2)利用：從產生突變的個體中可以篩選出對人們有用的突變體，進而培育成新品種。
(3)實例：抗花葉病毒的甘蔗、抗鹽堿的煙草等。
三、細胞產物的工廠化生產
1．次生代謝物：是一類小分子有機化合物(如酚類、萜類和含氮化合物等)，在植物抗病、抗蟲等方面發揮作用，也是很多藥物、香料和色素等的重要來源。
2．技術基礎：植物細胞培養技術，即在離體條件下對單個植物細胞或細胞團進行培養使其增殖的技術。
3．實例：紫草寧、紫杉醇和人參皂苷等的生產。
[診斷自學效果]
1．判斷下列敘述的正誤
(1)植物微型繁殖運用了植物組織培養技術，可快速繁殖良種植物(√)
(2)利用組織培養技術培育脫毒苗，獲得抗病毒的新物種(×)
(3)二倍體植株的花粉經脫分化與再分化后得到穩定遺傳的植株(×)
(4)利用組織培養技術產生突變體，可直接培育出具有優良性狀新品種(×)
(5)在植物組織培養過程中，容易獲得突變體的主要原因是DNA復制容易受到抑制(×)
(6)獲得細胞產物只需要通過植物組織培養培養到愈傷組織階段即可(√)
2．草莓主要利用莖進行無性繁殖，世代多了會因病毒的積累而減產，在短時間內獲得大量無病毒幼苗的最佳方法是(　　)
A．花藥離體培養
B．利用莖尖進行組織培養
C．選取成熟組織進行培養
D．人工誘導基因突變
解析：選B　進行植物微型繁殖時常采用莖尖作為外植體，原因是莖尖病毒極少，因此切取一定大小的莖尖進行組織培養，再生的植株就可能不帶病毒。
3．通過植物組織培養技術繁育農作物，其優點不包括(　　)
A．加快繁育速度　　　　　 B．保持親本優良性狀
C．培育出無病毒植株 D．改變植物的基因型
解析：選D　植物組織培養取材少，繁殖速度快；植物組織培養屬于無性生殖，能保持親本優良性狀；植物的根尖、莖尖幾乎沒有病毒，故利用植物的根尖、莖尖進行組織培養可以獲得脫毒植株；植物組織培養屬于無性生殖，一般不能改變植物的基因型。
4．植物細胞工程的應用不包括(　　)
A．獲得突變體培育新品種
B．培育無子西瓜試管苗
C．人參皂苷的工廠化生產
D．培育高產青霉菌株
解析：選D　利用突變體培育新品種、無子西瓜試管苗的培育、人參皂苷的工廠化生產都屬于植物細胞工程的應用；培育高產青霉菌株的方法是誘變育種，不是植物細胞工程的應用。
[在探究中學明]
植物細胞工程作為一門新興的生物技術，已經普遍應用于社會生產的方方面面。下圖都利用了植物組織培養，觀察并回答問題：
1．植物組織培養可以進行快速繁殖的原因是什么？
提示：植物組織培養到愈傷組織的階段，細胞進行有絲分裂，細胞分裂速度較快，從而可獲得大量的組織細胞，然后不斷地分割、移瓶、誘導再分化形成新植株。植物組織培養在實驗室進行，受季節、氣候等條件限制較小。
2．微型繁殖技術有哪些優點？
提示：①高效、快速地實現種苗的大量繁殖，還可以保持優良品種的遺傳特性；②使用材料少，培養周期短，繁殖率高；③不受季節、氣候、自然災害等因素的影響；④便于自動化管理，可實現工廠化生產。
3．作物培養過程中為什么要進行作物脫毒，如何進行作物脫毒？
提示：對于無性繁殖的作物，病毒在作物體內逐年積累，就會導致作物產量降低，品質變差。而植物頂端分生區附近的病毒極少，甚至無病毒，因此切取一定大小的莖尖進行組織培養，再生的植物就有可能不帶病毒，從而獲得脫毒苗。
[在深化中提能]
神奇的人工種子
1．概念：以植物組織培養得到的胚狀體、不定芽、頂芽和腋芽等為材料，經過人工薄膜包裝得到的種子。人工種子在適宜條件下同樣能夠萌發長成幼苗。
2．結構：由胚狀體、作為保護性外殼的人工種皮和提供發育所需營養的人工胚乳組成，如圖所示。
3．在人工種子中，人工種皮是保證包裹在其中的胚狀體順利生長成小植株的關鍵部分。針對植物種類和土壤等條件，在人工種子的包裹劑中還可以加入適量的養分、無機鹽、有機碳源以及農藥、抗生素、有益菌等。為了促進胚狀體的生長發育，還可以向人工種皮中加入一些植物生長調節劑。
4．優點
(1)屬于無性生殖，無天然種子因有性生殖引起的基因重組而發生性狀分離的現象。
(2)生產上不受季節、氣候和地域的限制。
(3)提高植物的繁殖能力。
(4)可人為控制植物的生長發育與抗逆性。
(5)便于貯存和運輸。
　植物細胞工程作為一門新興的生物技術，被廣泛應用于社會生產的方方面面，下列相關說法錯誤的是(　　)
A．人工種子通常由人工薄膜作為種皮包被植物愈傷組織制作而成
B．植物微型繁殖運用了植物組織培養技術，可快速繁殖優良品種
C．作物脫毒常選取植物的莖尖，因為該部分病毒較少或無病毒
D．植物原生質體融合過程中常用的融合手段有離心、電激和PEG處理等
[解析]　人工種子通常由人工薄膜作為種皮包被胚狀體等制作而成。植物微型繁殖利用的是植物組織培養技術，能快速繁殖且保持植物的優良性狀。植物的莖尖細胞中病毒較少，甚至無病毒，可經植物組織培養獲得脫毒苗。可用物理法(離心、振動、電激等)和化學法(如PEG處理)誘導植物原生質體融合。
[答案]　A
[在應用中落實]
1．(2020·濟南期末)病毒感染蔬菜、花卉、果樹后，會借助胞間連絲等結構擴散，導致其產量和品質退化。但是被感染的植株莖尖分生組織的細胞中通常不含病毒，可以利用這些部位的細胞進行組織培養，快速生產出脫毒苗。下列敘述錯誤的是(　　)
A．植株莖尖分生組織的細胞中不含病毒的原因可能是該組織細胞間胞間連絲不發達
B．細胞壁具有全透性，在抵御病原體侵害方面不起作用
C．胞間連絲是細胞間物質運輸和信息交流的通道
D．分生組織細胞經組織培養生產出脫毒苗過程的原理是細胞的全能性
解析：選B　由題意“病毒能借助胞間連絲進行擴散”可知，植株莖尖分生組織的細胞中不含病毒的原因可能是該組織細胞間胞間連絲不發達，病毒未擴散到此部位，A正確；細胞壁具有全透性，在抵御病原體侵害方面有一定的作用，B錯誤；胞間連絲是細胞間物質運輸和信息交流的通道，C正確；分生組織細胞經組織培養生產出脫毒苗過程的原理是細胞的全能性，D正確。
2．草莓生產上傳統的繁殖方式易將所感染的病毒傳播給后代，導致產量降低、品質變差。運用微型繁殖技術可以培育出無病毒幼苗。草莓微型繁殖的基本過程如圖，請回答下列問題：
―→
(1)微型繁殖培育無病毒草莓苗時，一般選取__________作為外植體，其依據是____________________________。
(2)與常規的種子繁殖方法相比，植物微型繁殖技術的特點有__________________________________(答出2點即可)。
(3)過程①中配制好的培養基中，常常需要添加________，以利于外植體啟動細胞分裂形成愈傷組織。接種后2～5 d，若發現外植體邊緣局部污染，原因可能是______________________。
(4)通過植物組織培養技術，可把植物組織細胞培養成胚狀體，再通過________包裝得到人工種子，這種人工種子在適宜條件下可萌發生長。
解析：(1)微型繁殖培育無病毒草莓苗時，一般選取莖尖作為外植體，其依據是這些部位病毒極少，甚至無病毒。(2)與常規的種子繁殖方法相比，植物微型繁殖技術的特點有能保持植物原有的遺傳特性，繁殖速度快。(3)過程①脫分化中配制好的培養基中，常常需要添加植物激素，有利于外植體啟動細胞分裂形成愈傷組織。接種后2～5 d，若發現外植體邊緣局部污染，原因可能是外植體消毒不徹底。(4)通過組織培養技術，可把植物組織細胞培養成胚狀體，再通過人工種皮包裝得到人工種子，這種人工種子在適宜條件下可萌發生長。
答案：(1)莖尖　這些部位病毒極少，甚至無病毒
(2)能保持植物原有的遺傳特性，繁殖速度快
(3)植物激素　外植體消毒不徹底　(4)人工種皮
[在探究中學明]
1．作物新品種的培育
作物新品種的培育除傳統的雜交育種外，還有單倍體育種、人工誘變育種、基因工程育種等。在單倍體育種領域，科學家成功地培育出中花8號、11號水稻和京花1號小麥等作物新品種。觀察圖示，回答相關問題：
(1)完善單倍體育種的流程：
人工誘導,染色體加倍
(2)單倍體育種的原理是什么？
提示：單倍體育種的原理是生殖細胞的全能性(花藥離體培養得到單倍體植株)和染色體數目的變異(人工誘導單倍體幼苗染色體數目加倍)。
(3)單倍體育種過程中如何誘導染色體加倍？作用原理是什么？
提示：用秋水仙素處理，原理是秋水仙素抑制紡錘體的形成，使細胞不能正常分裂，從而使染色體數目加倍。
(4)完善突變體育種的流程
(5)突變體育種的原理是什么？
提示：突變體育種的原理是基因突變或染色體變異。
(6)在植物組織培養過程中，為什么培養的細胞容易產生突變？
提示：因為培養的細胞一直處于不斷增殖的狀態，容易受到培養條件和誘變因素的影響而產生突變。
2．細胞產物的工廠化生產
植物組織培養技術除了在農業上的應用外，還廣泛應用于細胞產物的工廠化生產。觀察圖示回答相關問題：
(1)完善細胞產物工廠化生產的流程：
(2)根據生產的目的不同，植物組織培養的階段也不同。若要培養新個體、獲得人工種子和提取細胞產物，應分別培養到什么階段？
提示：若要培養新個體，應培育到試管苗階段；若要獲得人工種子，則應培養到胚狀體階段；若要提取細胞產物，則應培養到愈傷組織階段。
[在深化中提能]
植物組織培養與植物細胞培養的比較
項目 植物組織培養 植物細胞培養
目的 獲得植物體 獲得細胞產物
培養基 固體培養基 液體培養基
過程
實例 各種轉基因植物、脫毒苗 人參皂苷的生產
　　　下列有關植物細胞工程應用實例的敘述，正確的是(　　)
A．脫毒苗是利用莖尖進行組織培養而獲得的抗病毒植株
B．人工種子是植物組織培養得到愈傷組織再包裹人工薄膜后獲得
C．突變體的利用是對愈傷組織進行定向誘變，進而培育新品種
D．單倍體育種可獲得穩定遺傳的優良品種，縮短育種年限
[解析]　植物莖尖沒有病毒，脫毒苗是利用莖尖進行組織培養而獲得的無病毒植株，而非抗病毒植株，A錯誤；人工種子是將植物組織培養得到的胚狀體包裹人工薄膜后獲得的，B錯誤；誘變是不定向的，C錯誤；單倍體育種最終獲得的是純合子，可獲得穩定遺傳的優良品種，縮短育種年限，D正確。
[答案]　D
[在應用中落實]
1．下面的圖示表示植物組織培養的大致過程，據此判斷有關說法正確的是(　　)
①②③―→④
A．對葉肉細胞進行組織培養時獲得了愈傷組織，說明高度分化的植物細胞具有全能性
B．若①是具有雜種優勢的農作物細胞，則用③進行直接繁育會發生性狀分離
C．若要提高細胞產物紫杉醇的產量，可取紅豆杉細胞對獲得的③進行擴大培養
D．若①是番茄莖尖細胞，則④能獲得無病毒植株
解析：選D　葉肉細胞進行組織培養時獲得了愈傷組織，不能說明植物細胞具有全能性，因為全能性是由細胞發育為完整個體，A錯誤；③表示根、芽或胚狀體，用③進行直接繁育是無性生殖，不會發生性狀分離，B錯誤；若要提高細胞產物紫杉醇的產量，可取紅豆杉細胞對獲得的②(愈傷組織)進行擴大培養，C錯誤；若①是番茄莖尖細胞，因含病毒較少或不含病毒，因此通過植物組織培養，可得到無病毒植株④，D正確。
2．如圖列舉了幾種植物的育種方式，請據圖回答相關問題：
(1)甲所用的技術是______________。
(2)通過丁方式可以獲得脫毒苗，培養過程中c常常取用莖尖的原因是________________________________________________________________________。
(3)乙方式通常用射線處理植物的愈傷組織能獲得較好效果，原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)由a、b兩種細胞通過一定的技術手段獲得c，屬于植物體細胞雜交，該方法能克服遠緣雜交不親和的障礙。(2)植物分生區附近(如莖尖)的病毒極少，甚至沒有病毒，因此常用莖尖組織培養技術獲得脫毒苗。(3)由于愈傷組織一直處于不斷分裂的狀態，容易受到培養條件和外界壓力(如射線、化學物質等)的影響而發生突變。
答案：(1)植物體細胞雜交　(2)莖尖所含病毒極少，甚至不含病毒　(3)愈傷組織細胞處于不斷分裂的狀態，易受到培養條件和外界壓力的影響而產生突變
　　　　[課堂鞏固落實]
1．下列有關植物細胞工程應用的分析，錯誤的是(　　)
A．愈傷組織細胞分裂旺盛，經誘變處理，易獲得突變個體
B．利用莖尖進行組織培養，可以獲得脫毒苗
C．利用同一株綠色開花植物不同部位的細胞，經培養獲得的愈傷組織基因型完全相同
D．利用組織培養技術工業化生產人參皂苷，提高產量
解析：選C　愈傷組織細胞分裂旺盛，經誘變處理，易獲得突變個體，A正確；莖尖幾乎不含病毒，因此利用莖尖進行組織培養，可以獲得脫毒苗，B正確；同一綠色開花植株不同細胞經培養獲得的愈傷組織基因型不一定相同，如花粉細胞培養形成的愈傷組織細胞的細胞核中基因只有體細胞的一半，C錯誤；可利用組織培養技術工業化生產人參皂苷，提高產量，D正確。
2．如圖是通過植物細胞工程技術獲得紫杉醇的途徑，下列相關敘述正確的是(　　)
A．該途徑依據的原理是植物細胞具有全能性
B．①過程中需控制好培養基中植物激素的比例
C．②過程需用一定濃度的胰蛋白酶處理愈傷組織
D．③過程需使用固體培養基，有利于細胞增殖及細胞分泌物提取
解析：選B　細胞的全能性是指細胞經分裂和分化后，仍然具有產生完整生物體或分化成其他各種細胞的潛能，而圖示表示的是獲得細胞產物，A錯誤；在植物組織培養各階段中，需控制培養基中生長素和細胞分裂素的濃度、用量比例，B正確；胰蛋白酶是用于將動物組織分散成單個細胞的物質，C錯誤；③過程需使用液體培養基，有利于細胞增殖，D錯誤。
3．植物組織培養技術在科學研究和生產實踐中得到了廣泛的應用。回答下列問題。
(1)植物微型繁殖是植物繁殖的一種途徑。與常規的種子繁殖方法相比，這種微型繁殖技術的特點有________________________________________(答出2點即可)。
(2)通過組織培養技術，可把植物組織細胞培養成胚狀體，再通過人工種皮(人工薄膜)包裝得到人工種子(如圖所示)，這種人工種子在適宜條件下可萌發生長。人工種皮具備透氣性的作用是__________________________。人工胚乳能夠為胚狀體生長提供所需的物質，因此應含有植物激素、____________和________等幾類物質。
(3)用脫毒苗進行繁殖，可以減少作物感染病毒。為了獲得脫毒苗，可以選取植物的________進行組織培養。
解析：(1)植物微型繁殖屬于植物組織培養技術，其優點是能保持植物原有的遺傳特性、繁殖速度快等。(2)人工種皮具備透氣性，使胚狀體易獲得氧氣，有利于胚狀體進行呼吸作用。植物的生長需要有機物和無機物等營養，人工胚乳中應含有植物激素、礦質元素和糖等幾類物質，這些物質都是胚狀體生長所必需的。(3)植物的莖尖含病毒較少，適合用其進行組織培養獲得脫毒苗。
答案：(1)能保持植物原有的遺傳特性，繁殖速度快　(2)有利于胚狀體進行呼吸作用　礦質元素　糖
(3)莖尖

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