最新人教版选修三 212 植物细胞工程的实际应用 学案.docx
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最新人教版选修三212植物细胞工程的实际应用学案
2.1.2 植物细胞工程的实际应用
[学习目标]
[核心素养]
列举植物细胞工程的实际应用。
生命观念：
列举植物组织培养、植物体细胞杂交技术在生产实践中的应用，用生命观念解释植物细胞工程给人们带来的影响。
一、植物繁殖的新途径
1．微型繁殖
（1）概念：
用于快速繁殖优良品种的
植物组织培养技术，属于
无性（填“有性”或“无性”）生殖。
（2）优点：
能保持优良品种的
遗传特性；
高效快速地实现种苗的大量繁殖。
2．作物脱毒
（1）选材部位：
植物
分生区附近，因为此处细胞内的病毒极少，甚至无病毒。
（2）优点：
提高作物的产量和品质。
（3）实例：
目前采用
茎尖组织培养技术来脱除病毒，在甘蔗、菠萝等主要经济作物上已获得成功。
3．人工种子
（1）概念：
以植物组织培养得到的
胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过
人工薄膜包装得到的种子。
（2）用途：
可以解决某些植物结实率
低、繁殖困难的问题。
（3）优点
①后代无性状分离。
②生产不受季节、气候和地域的限制。
二、作物新品种的培育
1．单倍体育种
（1）方法：
花药的离体培养。
（2）过程：
花药
单倍体植株
纯合子植株。
（3）优点
①后代一般是纯合子，能
稳定遗传，不会发生性状分离。
②极大地缩短了育种年限。
2．突变体及其利用
（1）产生：
在植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断的
分生状态，因此容易受到培养条件和外界压力（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。
（2）过程
（3）优点：
提高愈伤组织的突变率，加快了育种进程。
三、细胞产物的工厂化生产
1．细胞产物的种类：
蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。
2．技术：
植物组织培养技术。
3．实例：
生产
人参皂甙干粉，三七、紫草和银杏的细胞产物也都已经实现了工厂化生产。
1．判断下列叙述的正误。
（1）微型繁殖技术只保持亲本的优良特性。
（×）
（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）天然种子萌发后长成的植株容易发生性状分离，人工种子长成的植株性状不分离。
（√）
（5）单倍体育种和突变体培育的遗传学原理是一致的。
（×）
（6）突变体培育通常对植物的愈伤组织进行诱变处理，而工厂化生产的细胞产物也是来自愈伤组织细胞。
（√）
（7）人工种子的培育也能说明植物细胞具有全能性。
（×）
（8）工厂化生产的细胞产物，其化学成分都是蛋白质。
（×）
2．下列过程中不涉及植物组织培养技术的是（ ）
A．由马铃薯的茎尖培育出脱毒植株
B．白菜和甘蓝经体细胞杂交过程培育出杂种植株
C．转入抗卡那霉素基因的烟草细胞培育出转基因植株
D．二倍体水稻的种子经秋水仙素处理后培育出四倍体植株
解析：
选D 由茎尖、杂种细胞或转基因烟草细胞培育成植株的过程，均需要运用植物组织培养技术；将二倍体水稻种子经秋水仙素处理后培育成四倍体的过程，属于多倍体育种，不涉及植物组织培养。
探究点一|植物繁殖的新途径
|核心探究|
一、微型繁殖与作物脱毒
1．微型繁殖
（1）概念：
植物的快速繁殖技术就是利用植物组织培养的方法将植物体某一部分的组织小块进行培养并诱导其分化成大量的小植株，从而达到快速无性繁殖的目的，也称为试管苗繁殖。
（2）实质：
植物组织培养。
（3）原理：
植物细胞的全能性。
（4）微型繁殖技术的优点及应用范围
①能保持亲本的一切优良性状（高保真），子代个体具有的遗传物质与亲本的遗传物质相同。
②选材少，培养周期短，繁殖率高。
③不受自然生长季节的限制，便于自动化管理，有利于进行工厂化培养。
④作物脱毒。
（5）微型繁殖的条件
培养基中加入细胞生命活动所需要的水、矿质元素和小分子有机物，还有激素，更重要的是所有加入的物质都必须是无菌的，操作过程也必须在无菌条件下进行，这样繁殖的幼苗才是无毒的。
2．作物脱毒
（1）进行作物脱毒的原因：
进行无性繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传播给后代。
因而需要进行作物脱毒。
（2）材料的选取：
植物分生区附近（如茎尖）的病毒极少，甚至无病毒。
（3）需要解决的问题：
无性繁殖的作物，它们感染的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。
（4）解决方法：
切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。
（5）理论基础：
植物分生区附近的病毒极少，甚至无病毒。
（6）特点：
繁殖速度快；不受季节和地域的限制。
（7）成果：
目前采用茎尖组织培养技术来脱除病毒，已获得脱毒的马铃薯、草莓、甘蔗、菠萝和香蕉等经济作物。
二、人工种子
1．概念
以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子（如图所示）。
人工种子在适宜条件下同样能够萌发长成幼苗。
2．制备过程
3．主要优点
（1）可使在自然条件下不结实或种子昂贵的植物得以繁殖。
（2）固定杂种优势。
天然种子由于在遗传上具有因减数分裂引起的重组现象，因而会造成某些遗传性状的改变，而人工种子则可以完全保持优良品种的遗传特性。
（3）快捷高效的繁殖方式。
（4）可控制植物的生长发育与抗逆性。
（5）方便储藏和运输。
4．人工种子与天然种子的区别：
人工种子是通过植物组织培养（无性生殖）形成的，能保持亲本的优良性状；而天然种子是通过有性生殖形成的，优良杂种的后代会发生性状分离而丧失其优良特性，培育周期长，具有更大的变异性。
[易错易混]
有关人工种子的两点提醒
（1）人工种子中，只有胚状体（或不定芽、顶芽、腋芽）部分是植物组织培养的产物。
（2）人工种子可以固定杂种优势：
天然种子会因有性生殖而引起基因重组，造成某些遗传性状的改变，而人工种子实际是无性繁殖，所以可以保持优良品种的遗传特性。
三、植物组织培养与植物细胞培养的比较
项目
植物组织培养
植物细胞培养
目的
获得植物体
获得细胞产物
培养基
固体培养基
液体培养基
过程
实例
各种转基因植物、脱毒苗
人参皂甙的生产
|探究演练|
1．下列属于微型繁殖的是（ ）
A．马铃薯的块茎繁殖
B．胡萝卜根的形成层繁殖
C．杨树的扦插繁殖
D．果树的嫁接繁殖
解析：
选B 人们形象地把用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术叫作植物的微型繁殖技术，也叫快速繁殖技术，A、C、D项所描述的均属于营养生殖（无性生殖方式的一种）；B项运用植物组织培养技术，属于微型繁殖。
2．如图所示一人工种子，下列与人工种子培育生产过程有关的叙述中，不正确的是（ ）
A．人工种子一般用离体的植物细胞通过组织培养技术获得
B．胚状体由愈伤组织分化而成，离体细胞只有形成愈伤组织才能表现出全能性
C．同一批次的人工种子可以保证具有相同的基因型
D．胚状体是由未分化的、具有分裂能力的细胞构成的
解析：
选D 人工种子是以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子，A正确；胚状体是由愈伤组织分化形成的，离体细胞只有经过组织培养形成愈伤组织才能表现出全能性，B正确；同一批次的人工种子由同一离体的植物组织、器官经过脱分化和再分化形成，所以基因型相同，C正确；胚状体是由愈伤组织分化形成的，D错误。
3．通过植物组织培养技术可以快速繁殖、生产药物及培育无病毒的植物等。
据图甲、表乙回答问题：
A组
B组
C组
D组
E组
吲哚乙酸
0
3ppm
3ppm
0.03ppm
0
细胞分裂素
0
0.2ppm
0.002ppm
1.0ppm
0.2ppm
花芽生长状况
仍是组
织切块
形成愈
伤组织
愈伤组织
分化出根
愈伤组织
分化出嫩芽
稍生长
表乙 植物的花芽分别在含有不同比例的吲哚乙酸和细胞分裂素的培养基中的生长状况
（1）离体的植物器官、组织或细胞能够被培养成新的植物体的原理是______。
（2）应用植物组织培养技术诱导离体的植物组织形成具有生根发芽能力的胚状体结构，若包上人造种皮，制成人工种子，可解决有些作物品种繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题。
胚状体来源于离体的植物体细胞，其形成过程中要经过的生理变化大体上是图甲中[ ]________和[ ]________过程，在此过程中被培养的细胞始终受____________的调节（[ ]内填序号）。
（3）应用植物组织培养技术培养茎尖或根尖组织可获得无病毒植株，其原因是________________________________________。
（4）从表乙的实验结果可看出：
吲哚乙酸和细胞分裂素是实验中的两种重要物质。
其中，新芽形成必须的条件是______________________；而在培养形成完整新个体过程中，对它们的调控关键是________________________________。
解析：
（1）图甲表示植物组织培养过程，其原理是植物细胞的全能性。
（2）由图甲可知：
①表示脱分化过程、②表示再分化过程；在此过程中，被培养的细胞始终受细胞分裂素和吲哚乙酸的调节。
（3）植物的茎尖或根尖很少被病毒感染，甚至无病毒，因此应用植物组织培养技术培养茎尖或根尖组织可获得无病毒植株。
（4）在植物组织培养过程中，细胞分裂素和吲哚乙酸起着重要的调节作用，当细胞分裂素比例高时，诱导丛芽的产生，当吲哚乙酸比例高时，诱导根的产生，由此可见，对它们的调控的关键是适当控制好不同培养期的培养基中细胞分裂素和吲哚乙酸的浓度及二者的比例。
答案：
（1）植物细胞的全能性
（2）① 脱分化 ② 再分化 植物激素 （3）植物的茎尖或根尖很少被病毒感染，甚至无病毒 （4）细胞分裂素的浓度大于吲哚乙酸的浓度 适当调控好不同培养期的培养基中细胞分裂素和吲哚乙酸的浓度和它们的比例
探究点二|作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产
|核心探究|
一、作物新品种的培育
1．单倍体育种
（1）原理：
生殖细胞的全能性（花药离体培养为单倍体植株）；染色体数目的变异（秋水仙素诱导单倍体幼苗细胞染色体数目加倍）。
（2）方法：
花药离体培养，秋水仙素处理，获得纯合子。
（3）过程
（4）优点：
后代稳定遗传，都是纯合子；明显缩短育种年限。
（5）缺点：
技术相对复杂，需要与杂交育种结合，其中的花药离体培养过程需要组织培养技术的支持，多限于植物。
（6）成果：
我国在水稻、小麦、烟草、柏、橡胶和辣椒等植物的单倍体育种上，处于世界领先地位。
2．突变体的利用
（1）来源：
在植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断的分生状态，因此容易受到培养条件和外界压力的影响而产生突变，从这些产生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。
如图：
（2）实质：
植物组织培养。
（3）形成原因：
培养细胞一直处于不断的分生状态，容易受到外界一些条件的影响而发生突变。
（4）应用：
抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的野生烟草、抗除草剂的白三叶草等。
二、细胞产物的工业化生产
1．细胞产物的种类：
蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。
2．技术
外植体（离体的植物器官、组织或细胞）
愈伤组织
细胞悬液
细胞产物
3．工厂化生产人参皂甙的基本流程
（1）选择人参根作为外植体进行培养，产生愈伤组织，经过培养找到增殖速度快而且细胞内人参皂甙含量高的细胞株，其中一部分作为种子保存，以备下一次生产用，一部分进行发酵生产。
（2）将第一步选择得到的细胞株在发酵罐中的适宜培养液中进行发酵生产。
（3）将发酵罐中培养的细胞进行破碎处理，从中提取人参皂甙。
4．成功的实例：
人参、三七、紫草和银杏的细胞产物都已实现了工厂化生产。
三、五种生物技术的比较
方式
植物组织
培养
突变体的
利用
单倍体
育种
植物体细
胞杂交
植物基因
工程育种
原理
植物细胞的全能性
基因突变、植物细胞的全能性
花粉细胞的全能性、染色体变异
细胞膜的流动性、植物细胞的全能性
基因重组、植物细胞的全能性
重要
步骤
脱分化、再分化
对愈伤组织诱变处理
花药离体培养、秋水仙素诱导染色体数目加倍
原生质体融合、杂种细胞组织培养
对导入目的基因的植物细胞进行组织培养
优点
保持优良品种的遗传特性
提高突变率，获得优良性状
明显缩短
育种年限
克服远缘杂交不亲和的障碍
克服远缘杂交不亲和的障碍
举例
微型繁殖、脱毒苗培育、人工种子培育
抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的野生烟草
单育1号烟草
培育“番茄—马铃薯”杂种植株
转基因
抗虫棉
[易错易混]
单倍体育种与多倍体育种的异同
（1）相同点：
单倍体育种和多倍体育种均需要用秋水仙素诱导染色体数目加倍。
（2）不同点：
单倍体育种需要植物组织培养先形成单倍体幼苗，但多倍体育种一般不使用植物组织培养技术。
|探究演练|
4．单倍体育种的优点是可明显缩短育种年限，下列有关单倍体育种的说法正确的是（ ）
A．花药离体培养的脱分化过程中不需要使用植物激素
B．两个单倍体经植物体细胞杂交，后代一定是纯合子
C．单倍体育种获得的是单倍体，还需要经过秋水仙素处理
D．以上说法均不正确
解析：
选D 花药离体培养属于植物组织培养，在脱分化的过程中需用到两种植物激素，A错误；两个单倍体的基因组成可能不同，因此两者经植物体细胞杂交，获得的后代可能是杂合子，B错误；单倍体育种包括花药离体培养和秋水仙素诱导染色体加倍两个过程，所以，单倍体育种获得的不是单倍体，C错误。
5．如图是利用某植物（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，作用时期为有丝分裂前期
B．通过过程①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
D．与杂交育种相比，该育种方法的优点是能明显缩短育种年限
解析：
选B 该过程是单倍体育种过程，所以过程①是花药离体培养，获得的是单倍体，基因型为AB、Ab、aB、ab4种，经染色体加倍后的植株B都为纯合子；过程②使用秋水仙素使染色体数目加倍，作用机理是抑制有丝分裂前期纺锤体的形成，到后期染色单体分开后不能向细胞两极移动；过程①属于植物组织培养，需要生长素和细胞分裂素的诱导。
6．（2019·潍坊期中）如图表示通过二倍体植株甲（自花受粉植物）和植株乙培育植株A、B、C、D、E的过程，其中植株甲的基因型为AaBb，两对等位基因分别位于两对同源染色体上。
请据图回答下列问题：
（1）植株A是______________倍体，经秋水仙素处理后获得的植株B的基因型为__________________________________________。
（2）植株C与植株甲表现型相同的概率为__________。
（3）培养植株D的过程中，由离体细胞形成愈伤组织的过程称为________，若要制备人工种子，则需诱导愈伤组织形成________结构，再包裹上人工种皮。
（4）获得植株E的过程称为____________________________，该过程中两个原生质体融合时，常用的化学诱导剂是________。
（5）植株A、D、E的培育过程中都需要采用的生物技术是______________，其理论基础是____________________，其培养过程一定要保证________条件，防止培养失败。
植株A、B、C、D、E中可能与植株甲的基因型相同的是植株________。
解析：
（1）将二倍体植株甲的花粉经过花药离体培养得到的植株是单倍体植株A，其基因型可能是AB、Ab、aB、ab，因此用一定浓度的秋水仙素处理其萌发的幼苗之后，染色体加倍，故植株B的基因型为AABB或AAbb或aaBB或aabb。
（2）植株甲是自花受粉植物，因此植株C与植株甲表现型相同的概率为3/4×3/4＝9/16。
（3）由离体细胞形成愈伤组织的过程是脱分化，如果制备人工种子，则需诱导愈伤组织形成胚状体结构，再包裹上人工种皮。
（4）植株E是由两种不同的植物经过植物体细胞杂交形成的新品种，两个原生质体融合时常用的化学诱导剂是聚乙二醇（PEG）。
（5）植株A、D、E都是由细胞离体培养得到的植株，都需要采用的生物技术是植物组织培养，其理论基础是植物细胞的全能性，培养过程中一定要注意保证无菌条件，防止杂菌污染导致培养失败。
植株D与植株甲的基因型一定是相同的，植株C与植株甲的基因型相同的概率是1/2×1/2＝1/4。
答案：
（1）单 AABB或AAbb或aaBB或aabb
（2）9/16 （3）脱分化 胚状体 （4）植物体细胞杂交 聚乙二醇（PEG） （5）植物组织培养 植物细胞的全能性 无菌 C、D
课堂小结
|网络构建|
|巩固基础|
1．微型繁殖实际是一种无性繁殖，能保证亲子代遗传特性不变。
2．人工种子是由人工种皮、胚状体和人工胚乳三部分组成的。
3．在植物育种上，单倍体经过染色体加倍，可以使后代迅速纯合，缩短育种年限。
4．单倍体育种和多倍体育种均需要用秋水仙素诱导染色体数目加倍。
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