高中生物专题二细胞工程第6课时植物细胞工程的实际应用学案新人教版选修.docx
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高中生物专题二细胞工程第6课时植物细胞工程的实际应用学案新人教版选修
第6课时 植物细胞工程的实际应用
[目标导读] 1.阅读教材，概述植物繁殖的新途径及原理。
2.概述人工种子的组成并和自然种子进行区别。
3.概述作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产。
[重难点击] 1.植物繁殖的新途径及原理。
2.人工种子的组成。
1．植物的繁殖方式
繁殖方式
2．植物的营养繁殖（属于无性生殖）
[课堂导入]
如图是三倍体无子西瓜的培育过程，无子西瓜不能用种子繁殖，但是运用植物细胞工程技术就可以大量繁殖了。
探究点一 植物繁殖的新途径
植物细胞工程作为一门新兴的生物技术，已经普遍应用于社会生产的方方面面。
下面图示都是利用了植物组织培养，观察并回答问题。
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。
（2）特点：
①无性繁殖，能够保持种苗的优良遗传特性（如图1）。
②选取材料少；繁殖速度快，周期短；不受季节、气候、自然灾害等因素的影响。
③可实现工厂化生产。
小贴士 微型繁殖是用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，实际上是无性生殖的一种。
在繁殖的过程中，细胞进行有丝分裂，因此亲、子代细胞内DNA相同，具有相同的基因，能保证亲、子代遗传特性不变。
利用这种技术能高效快速地实现种苗的大量繁殖。
2．作物脱毒
（1）取材：
无病毒的茎尖组织。
（2）图2所示脱毒草莓产品品质优良，要得到脱毒苗，材料选取的关键是选取植物的茎尖（或根尖）来作为植物组织培养的外植体。
这是因为植物的分生组织细胞中一般是不含病毒的。
如果将未被病毒感染的植株的分生组织用植物组织培养的方法培育幼苗，用于生产，可以避免病毒对作物的影响，大大提高作物的产量。
小贴士 病毒是寄生性生物，在用种子繁殖或用植物根、茎无性繁殖过程中，种子、根、茎的细胞中可能携带着病毒并传给下一代，使其繁殖的子代感染病毒。
3．人工种子
（1）概念：
以植物组织培养获得的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，外面包被上人工薄膜，在适宜的条件下以萌发长成幼苗的种子。
（2）结构：
由胚状体、作为保护性外壳的人工种皮和提供发育所需营养的人工胚乳组成。
如图所示：
（3）优点
①属于无性生殖，无天然种子因有性生殖引起的基因重组而发生性状分离的现象。
②生产上不受季节、气候和地域的限制。
③利于农业生产的规范化、标准化和机械化管理。
归纳提炼
作物脱毒、人工种子的培育过程均采用组织培养技术
（1）作物脱毒主要是强调组织培养的取材一定是无毒的（如茎尖、根尖），才能繁殖出无毒的幼苗。
（2）人工种子的培育也是采用组织培养技术，但是只需培育得到胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等材料，包上人工种皮就可形成人工种子。
它含有胚状体发芽所需要的营养成分或植物激素，还应含有杀菌剂，以防播种后微生物的侵害，相当于种子的子叶或胚乳。
人工种子发芽得到的幼苗能保持亲本的优良性状，另外还不受气候、季节和地域的限制。
活学活用
1．下面为番茄植物组织培养过程的流程图解，以下相关叙述不正确的是（ ）
a,
b,
c,
d,
e,
A．脱分化发生在b步骤，形成愈伤组织，在此过程中植物激素发挥了重要作用
B．再分化发生在d步骤，是愈伤组织重新分化成根或芽等器官的过程
C．从叶组织块到种苗形成的过程说明番茄叶片细胞具有全能性
D．人工种子可以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
答案 B
解析 由愈伤组织形成胚状体结构的过程叫再分化，发生在c过程，故选项B错。
b过程是指植物组织形成愈伤组织的过程，叫脱分化；脱分化、再分化都是由培养基中不同激素及其浓度比决定的；植物组织培养技术的原理是植物细胞的全能性；人工种子的优点是可以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。
探究点二 作物新品种的培育和细胞产物的
工厂化生产
1．单倍体育种
（1）原理：
植物细胞的全能性。
（2）方法：
植物的组织培养技术及染色体变异。
（3）过程：
花药离体培养
愈伤组织
单倍体植株
正常植株。
（4）优点：
单倍体经过染色体加倍，获得的后代为纯合子，可明显缩短育种年限（一般为2年）。
（5）缺点：
技术相当复杂，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。
2．突变体育种
（1）原理：
基因突变和植物细胞的全能性。
（2）过程
（3）优点：
提高了愈伤组织的突变率，可以获得高抗、高产、优质、抗逆的新品种，加快了育种进程。
（4）缺点
①突变不定向，需要处理大量突变材料。
②突变少利多害，符合人们需要、有利的品种比较少。
3．细胞产物的工厂化生产
（1）写出细胞产物工厂化生产流程
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。
（2）完善下列工厂化生产人参皂甙的基本过程
①选择人参根作为外植体进行培养，产生愈伤组织，经过培养选择找到增殖速度快而且细胞内人参皂甙含量高的细胞株作为种子。
②将第一步选择的细胞株放在发酵罐中的适合培养液中进行液体培养，增加细胞数量。
③将发酵罐中培养的细胞进行破碎，从中提取人参皂甙。
小贴士 植物组织培养的目的不同，培养阶段也不同：
若获得人工种子，则培养到胚状体阶段；若提取细胞产物，则培养到愈伤组织阶段；若获得新个体，则培养到试管苗阶段。
归纳提炼
植物组织培养与植物细胞培养的区别
（1）含义不同：
植物组织培养是指在一定的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，把植物离体的器官、组织或细胞培养成完整的植物体。
而植物细胞培养是将组织培养过程中形成的愈伤组织或其他易分散的组织置于液体培养基中，进行悬浮培养，得到分散游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增殖，从而获得大量的细胞群体的一种技术。
（2）目的不同：
植物组织培养的目的是得到更多的植物体，而植物细胞培养的目的是获得人类所需要的细胞代谢产物。
活学活用
2．在植物组织培养过程中，容易获得突变体的主要原因是（ ）
A．培养的细胞一直处于不断的分裂状态
B．培养基营养丰富，易于植物生长
C．纺锤丝的形成容易受抑制
D．DNA复制容易受抑制
答案 A
植物细胞工程的实际应用
1．下列属于植物的微型繁殖技术的是（ ）
A．兰花的茎尖组织培育成兰花幼苗
B．水稻种子萌发并长成新个体
C．扦插的葡萄枝长成新个体
D．柳树芽发育成枝条
答案 A
解析 解答本题需要从两个方面入手，首先，水稻种子萌发并长成新个体、柳树芽发育成枝条均属于个体发育部分；其次，扦插的葡萄枝长成新个体属于无性生殖中的营养生殖。
2．对人工种子正确的解释是（ ）
A．通过科学手段人工合成的种子
B．利用植物组织培养技术获得的种子
C．种皮能自我生成的种子
D．人工种子发芽率低
答案 B
解析 人工种子就是以通过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。
该种子在适宜条件下同样能萌发长成幼苗，因此人工种子的发芽率并不低。
3．下图表示某植物的培育过程，请据图判断下列说法中错误的是（ ）
A．A→F不能体现细胞的全能性
B．C中是高度液泡化的薄壁细胞
C．植株A和F中的染色体组数不同
D．植株F一般不能直接应用于生产
答案 A
解析 图中所示B→F为花药离体培养得到单倍体幼苗，体现了生殖细胞也具有全能性。
但F与A中的染色体组数不同，一般需经人工诱导染色体数目加倍后才可应用于生产。
4．关于番茄—马铃薯杂种植株，下列叙述不正确的是（ ）
A．若番茄细胞内有m条染色体，马铃薯细胞内有n条染色体，则“番茄—马铃薯”细胞内含（m＋n）条染色体
B．过程②结束后需要淘汰自身融合的细胞
C．过程③不存在细胞分裂
D．这项技术已经广泛应用到杂种植物的培育中
答案 D
5．人工种子是人们模仿天然种子的结构制造出来的生命有机体，它能像天然种子一样萌发生长。
人工种子的核心部分是被外层物包埋的具有类似种子胚功能的胚状体，胚状体不同于一般种子的胚，它是由非合子细胞分化形成的类似于胚的结构物，所以又称“体细胞胚”“花粉胚”。
胚状体可从悬浮培养的单细胞中得到，也可以通过试管培养的茎尖、芽尖、子房、花粉等获得。
将胚状体包埋在一个能提供营养的胶质中，经过人工薄膜包装，便成了所谓的“人工种子”。
其培育过程如图所示：
请根据以上材料回答下列问题：
（1）人工种子依据的原理是______________________，经过________________技术培育而成。
（2）包埋胚状体的胶质可以看做是种子的哪部分结构？
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
（3）某二倍体植物基因型为DdTt，利用这种生物技术采用花药离体培养的方法，可培育成“花粉胚”，也可制成人工种子，这种种子萌发形成的个体为________，基因型为__________________。
（4）如果外植体为植物的茎尖，通过①的处理可使细胞彼此分离，可加入________。
A．15%的盐酸B．淀粉酶
C．果胶酶D．胰蛋白酶
（5）②表示脱分化过程，其实质是__________________；③表示再分化过程，其实质是________________________________________________________________________。
（6）从上面所述胚状体的类型分析，人工种子萌发长成的植株是否可育？
________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
答案
（1）植物细胞的全能性 植物组织培养
（2）胚乳或子叶 （3）单倍体 DT、Dt、dT、dt （4）C （5）使细胞恢复分裂 基因的选择性表达，导致细胞形态、结构和功能的改变 （6）若是由花粉发育而来的则不可育，若是由茎尖、根尖等营养器官发育而来的则可育
解析
（1）人工种子依据的原理是植物细胞的全能性，经过植物组织培养技术培育而成。
（2）包埋胚状体的胶质可以看做是提供营养的胚乳或子叶。
（3）某二倍体植物基因型为DdTt，采用花药离体培养的方法，可培育成“花粉胚”，也可制成人工种子，这种种子萌发形成的个体为单倍体，其基因型有DT、Dt、dT、dt。
（4）如果外植体为植物的茎尖，通过①的处理可使细胞彼此分离，可加入果胶酶使细胞间的物质分解。
（5）②表示脱分化过程，其实质是使细胞恢复分裂；③表示再分化过程，其实质是基因的选择性表达，导致细胞形态、结构和功能的改变。
（6）人工种子萌发长成的植株是否可育主要看离体培养材料的来源。
基础过关
知识点一 植物繁殖的新途径
1．下列属于微型繁殖的是（ ）
A．马铃薯的块茎繁殖B．小麦的种子繁殖
C．一片花瓣的繁殖D．柳树的扦插繁殖
答案 C
解析 微型繁殖是利用植物组织培养技术，将离体的植物组织、器官、细胞进行培养，获得大量相同子代的过程。
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
答案 D
解析 植物微型繁殖技术繁殖植物就是利用其优点：
一是繁殖高效快速，二是能保持优良品种的遗传特性。
植物微型繁殖技术的方法是植物的组织培养技术，是一种无性繁殖方式，后代与亲代性状相同，操作过程并不简单。
3．人工种子比天然种子有许多优越性，下列对其优越性的叙述，不正确的是（ ）
A．可使自然状态下不结子的植物得以繁殖
B．方便贮藏和运输
C．可以随意改变植物的遗传性状
D．可快速、大量繁殖
答案 C
解析 人工种子是通过植物细胞工程完成的，所以可以使在自然条件下不结子或珍贵的植物得以繁殖。
人工种子外层是起保护作用的薄膜，类似天然种子的种皮，因此，可以很方便地贮藏和运输。
人工种子的生产不受季节限制，而且快捷高效。
人工种子可以保持物种优良的遗传性状。
知识点二 作物新品种的培育
4．下列哪种生物不能通过突变体的利用而获得（ ）
A．抗除草剂的白三叶草
B．生产胰岛素的大肠杆菌
C．高产的水稻
D．蛋白质含量高的小麦
答案 B
解析 突变体育种可通过基因突变或染色体变异而获得高产、高抗、有机物含量丰富的品种，但获得生产胰岛素的大肠杆菌不可能通过突变而获得，一般可通过基因工程（转基因技术）而获得。
5．下列应用不涉及植物组织培养技术的是（ ）
A．花药离体培养得到单倍体植株
B．秋水仙素处理幼苗获得多倍体植株
C．人工种子培育
D．“番茄—马铃薯”杂种植株培育
答案 B
解析 花药离体培养、人工种子培育和体细胞杂种植株的培育均需要植物组织培养作为技术手段，而秋水仙素诱导多倍体形成与植物组织培养没有直接关系。
6．马铃薯利用它的块茎进行无性繁殖，种植的世代多了以后往往会感染病毒而减产，为此农民希望得到无病毒的幼苗进行种植。
获得无病毒幼苗的最佳方法是（ ）
A．选择优良品种进行杂交B．进行远缘植物体细胞杂交
C．利用芽尖进行组织培养D．人工诱导基因突变
答案 C
解析 本题的关键词是“获得无病毒幼苗”，根据这一点，首先要想到作物脱毒这一技术。
况且，马铃薯本身就是无性繁殖的，而作物脱毒时采用植物组织培养技术，形成的脱毒苗中遗传物质和亲本是完全相同的，只是少了原来的病毒，这也是无性繁殖。
7．植物组织培养的过程可以归纳为：
①
②
③―→④。
对此叙述有错误的是（ ）
A．②―→③的再分化过程中，当细胞分裂素与生长素的浓度比低时，有利于根的生长
B．植物组织培养所依据的原理是细胞的全能性
C．③―→④过程指植物的营养生长和生殖生长阶段
D．②包裹上人造种皮可获得人工种子
答案 D
解析 只有将离体植物细胞或组织培养成具有生根发芽能力的胚状结构，再包上人造种皮，才能得到人工种子，而②是未分化的愈伤组织，不具有生根发芽能力，只有在分化培养基上培养后，才能用于制造人工种子。
知识点三 细胞产物的工厂化生产
8．对人参皂甙干粉进行工厂化生产，下列何种技术是必需的（ ）
A．杂交育种B．植物组织培养
C．多倍体育种D．单倍体育种
答案 B
解析 对人参皂甙干粉进行工厂化生产，必须先通过组织培养获得人参皂甙含量最高的细胞株，然后进行发酵大规模生产。
能力提升
9．下图是人工种子的结构简图，对其叙述不正确的是（ ）
A．人工种子的胚乳中含有胚状体发育所需的营养物质，还可以添加农药和植物激素
B．人工种子可以工业化生产，播种人工种子可节省大量的粮食
C．人工种子克服了有些作物品种繁殖能力差或发芽率低等问题
D．人工种子的胚状体还未分化出胚芽、胚轴和胚根等结构
答案 D
解析 人工种子是经植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，包裹上人工种皮而形成的种子。
胚状体与正常受精卵发育形成的胚有类似的结构和发育阶段。
在人工种子胚乳中，除了添加种子萌发所需的营养物质外，还可添加农药、植物激素、固氮菌等。
10．人工种子是人们模仿天然种子结构制造出来的生命有机体，它能像天然种子一样萌发生长。
人工种子的核心部分胚状体可以由悬浮培养的芽尖细胞得到，也可以通过试管培养的花粉或胚囊获得，由此人们把胚状体分为“体细胞胚”和“花粉胚”。
请据此判断下列说法中不正确的是（ ）
A．人工种子可以解决有些作物品种繁殖能力差、结子困难、发芽率低等问题
B．培育胚状体利用了植物组织培养技术
C．同一种植物“体细胞胚”和“花粉胚”的染色体的数目比为1∶1
D．该项技术的成功应用体现了细胞的全能性
答案 C
解析 体细胞胚是由植物的体细胞经脱分化和再分化形成的，花粉胚是由花粉经脱分化和再分化形成的。
同一种植物“体细胞胚”和“花粉胚”的染色体的数目之比为2∶1。
11．如图为植物组织培养的基本过程，则制造人工种子，及生产治疗烫伤、割伤的药物——紫草素，应分别选用编号（ ）
①
②
③―→④
A.④、②B.③、②,C.④、③D.②、③
答案 B
解析 人工种子是指已分化的胚状体等用合适的“人工种皮”进行包裹得到的种子，所以应为再分化后的③，而获取细胞产物紫草素则培养到具有产生此物质的细胞群体②即可，无需获得植株。
12.用单倍体育种方法可以明显缩短育种年限，下列有关其原因的说法正确的是
A.通过染色体加倍的可育植株，等位基因纯合，这样的植株自交后代不发生性状分离
B.单倍体植株只有一套染色体，不会出现等位基因，也就不会有杂合子，后代不会发生性状分离
C.两个单倍体交配后，后代都是纯合子，纯合子自交后代不会发生性状分离
D.以上三种说法均正确
答案 A
解析 单倍体育种是取花药培养获得单倍体植株后，用秋水仙素处理，使染色体数目加倍，基因组成纯合，所以自交后代不发生性状分离。
13.科学家从悬浮培养的单细胞、离体花粉或胚囊中，通过植物组织培养技术获得胚状结构胚状体。
胚状体不同于一般的种子胚，它是由非合子细胞分化形成的类似于胚的结构物，所以，又称“体细胞胚”或“花粉胚”。
胚状体在一定的条件下，可以通过个体发育过程形成植株。
将其包埋在一个能提供营养的胶质中，外面包裹上人造种皮，便制成了“人工种子”。
目前，我国科学家利用植物组织培养技术已在烟草、水稻、小麦和玉米等植物上成功诱导出胚状体，而美、法等各国正着手将人工种子市场化、商品化。
1简要归纳“离体的细胞”进行植物组织培养获得胚状体的过程：
_____________________
_________________________________________________________________。
2“人工种子”大体由胚状体、包埋胚状体的胶质以及人造种皮三部分组成。
包埋胚状体的胶质相当于自然种子中的 ，其中富含营养物质，这是因为________________
__________________________________________________________________。
为了满足胚状体代谢的需求，“人造种皮”还必须具有良好的 性能。
3由“人工种子”萌发出的植株是否可育？
________________________________________
_______________________________。
4写出“人工种子”商品化的意义两项：
_________________________________________
_________________________________________________________________。
5培育胚状体利用了 这一项生物技术。
在该过程中培养基中需要添加 和 两种激素，还需要对培养基进行严格的 。
6利用“人工种子”繁殖后代属于__________________________________________。
7该项技术的成功应用，反映了细胞的______________________________________性。
答案 1离体的细胞脱分化愈伤组织
胚状体
（2）胚乳或子叶 胚状体在萌发初期不能进行光合作用 透水、透气 （3）由花粉培养发育的植株一般不可育，由体细胞经组织培养发育的植株是可育的 （4）可用于苗木的快速繁育、无病毒植株培养、解决有些作物繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题（回答其中的两项即可） （5）植物组织培养 生长素 细胞分裂素 灭菌 （6）无性繁殖 （7）全能
解析
（1）～（4）胚状体一般是利用愈伤组织分化形成的。
利用胚状体制“人工种子”时，需包裹上“人造种皮”、胶质等，为了满足胚状体代谢的需求，“人造种皮”则必须具有良好的透水、透气性能，以利于胚状体吸收水分和氧气。
包埋胚状体的胶质相当于自然种子中的胚乳或子叶，富含营养物质，能为胚状体的发育提供营养物质。
一般来说，对于二倍体植物，若“人工种子”由花粉培养发育，得到的植株一般不可育；若由体细胞经组织培养发育，则是可育的。
“人工种子”的培养，可用于苗木的快速繁育，无病毒植株培养，解决有些作物繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题。
（5）～（7）培育胚状体利用了植物组织培养这一项生物技术。
在该过程中，培养基中需要添加生长素和细胞分裂素两种激素，它们对培养分化的方向具有决定性作用。
另外，还需要对培养基进行严格的灭菌，防止杂菌污染。
由于“人工种子”只能获得一个亲本的性状，因此，利用“人工种子”繁殖后代属于无性繁殖。
该项技术的成功应用，反映了细胞的全能性。
个性拓展
14．医学研究发现紫杉醇能有效治疗某些癌症。
获得紫杉醇的传统方法是从红豆杉属植物的树皮中提取，但产量有限，也不利于濒危的红豆杉的保护。
研究发现，红豆杉的其他组织细胞也能生产紫杉醇，有人尝试用细胞工程技术生产。
下图为三种红豆杉细胞培养过程中细胞数量与紫杉醇产量的数据图。
请据图回答下列问题：
（1）据图分析，获得高产紫杉醇应选________红豆杉为原料，培养后期紫杉醇产量出现下降的原因包括______________________等。
（2）将红豆杉细胞经组织培养形成________方可接种到培养基中。
（3）在培养过程中，要不断通入无菌空气并进行搅拌的目的是______________________和________________________________________________________________________。
（4）利用组织培养技术生产紫杉醇与传统方法提取紫杉醇相比，前者具有________________________________________________________________________。
答案
（1）云南 活细胞数量减少，某些代谢产物的积累
（2）愈伤组织
（3）保证氧气供应充足 使细胞与培养液及氧气充分接触
（4）产量高、节约资源、有利于生态保护等优点
解析
（1）由紫杉醇含量数据图可知云南红豆杉产量最高，随着培养时间的加长，培养基中营养物质减少，某些有害代谢产物积累，使活细胞数量减少，从而紫杉醇产量下降。
（2）培养是为了获得细胞产物，所以培养到愈伤组织即可。
（3）通入无菌空气是保证氧气的供应，而搅拌是为了让细胞与培养液及氧气充分接触。
（4）利用组织培养提取紫杉醇具有产量高，耗材少，且不会对生态造成破坏等优点。
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