2.1.2 植物细胞工程的实际应用
【目标导航】 1.举例说明植物细胞工程在植物繁殖方面的应用。2.列举植物细胞工程在作物新品种培育方面的应用。3.概述细胞产物的工厂化生产的原理。
一、植物繁殖的新途径(阅读P38－39)
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)属于无性(填有性、无性)繁殖，能够保持优良品种的遗传性状。
2．作物脱毒
(1)选材部位：植物分生区附近的部位，因为此处细胞内病毒极少，甚至无病毒。
(2)优点：提高作物的产量和品质。
3．人工种子
(1)组成：由胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等材料，以及作为保护性外壳的人工种皮和提供胚状体进一步发育所需营养的人工胚乳组成。如右图：
(2)特点：后代无性状分离，不受季节、气候和地域的限制。
二、作物新品种的培育及细胞产物的工厂化生产(阅读P40－41)
1．单倍体育种
(1)过程：花药单倍体植株稳定遗传的优良品种。
(2)优点：①后代是纯合子，能稳定遗传。
②可明显缩短育种年限。
(3)实例：烟草、小麦等。
2．突变体的利用
(1)过程：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，从中筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。
(2)优点：可以得到人是用什么繁殖抗逆性(抗盐、抗病和抗除草剂等)品种和含有高蛋白的植株。
(3)实例：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。
3．细胞产物的工厂化生产
(1)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：人参、三七、紫草和银杏的细胞产物都已实现工厂化生产。
判断正误：
(1)植物组织培养技术不仅可以保持优良品种的遗传特性，还可以高效快速地实现种苗的大量繁殖。( )
(2)人工种子就是以植物种子的胚等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。( )
(3)单倍体育种通过花药离体培养获得单倍体植株，染体加倍后两年便可获得稳定遗传的优良品种，极大地缩短了育种年限。( )
(4)在植物的组织培养过程中，由于所培养的细胞进行有丝分裂，所以不会发生突变。( )
(5)利用植物组织培养技术可获得的细胞产物包括蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。( )
(6)单倍体育种的目的是获得单倍体本身。( )
(7)细胞产物的生产是将植物细胞培养到愈伤组织。( )
答案 (1)√ (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)√
一、植物繁殖的新途径
1．微型繁殖
(1)本质：微型繁殖实际上是一种无性繁殖，能保持亲本的一切优良性状，这项技术只运用了植物组织培养技术，因此该过程只涉及有丝分裂，不涉及减数分裂。
(2)优点：使用材料少，培养周期短，繁殖率高，便于自动化管理，有利于进行工厂化培养。
2．作物脱毒
(1)病毒的特点：病毒是寄生生物，在用种子繁殖或用植物根、茎的无性繁殖过程中，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。
(2)材料的选取：据检测，植物的分生区附近的病毒极少，甚至无病毒。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。
3．人工种子
(1)人工种皮的要求：
①能保持胚状体的活力，即要能透气、透水，含有胚状体发芽所需要的各种营养成分等。
②有利于贮藏、运输和萌发，选取的材料要有韧性、耐压、对胚状体无毒害。
③还应含有农药和杀菌剂，以防播种后害虫及微生物的侵害。
④还要加入能促进胚状体生长和发育的一些植物生长调节剂、有益菌等。
(2)胚状体的要求：①播种后能快速出苗；②根和芽同步生长，活力强；③形成的幼苗的形态与生长要正常。
(3)制备流程：诱导植物愈伤组织的形成→体细胞胚的诱导→体细胞胚的成熟→机械化包装→储藏或种植。
1．作物培养过程中为什么要进行作物脱毒，如何进行作物脱毒？
答案 对于无性繁殖的作物，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。而植物分生区附近的病毒极少，甚至无病毒，因此切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植物就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。
2．脱毒苗与抗毒苗有何区别？
答案 脱毒苗：是选择植物的茎尖(刚形成，不含有病毒)进行组织培养而获得的，属于细胞工程的范畴。抗毒苗：是把某抗病基因导入到受体植株中，并通过一定的方法培育形成的，属于基因工程的范畴。
3．根据种子发育所需的营养物质，分析人工种皮内应含有哪些有效成分？
答案 适宜的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等。
4．人工种子和天然种子的区别：人工种子是通过________培养产生的，属于________繁殖，可保持________的优良性状。自然种子是通过________生殖产生的，可表现出________的遗传性状。
答案 植物组织 无性 亲本 有性 双亲
5．获取人工种子胚状体的途径有哪些呢？
答案 (1)由已脱分化的外植体直接产生。(2)由愈伤组织产生。(3)由悬浮细胞培养产生。
1．下面为人工种子培养过程流程图解，下列相关叙述不正确的( )
A．b、c过程中植物激素发挥了重要作用，d表示给胚状体包上人工胚乳和人工种皮
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．人工种子的培育是植物组织培养技术的重要用途之一
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
【问题导析】 (1)a表示获得外植体；b表示脱分化。
(2)c表示再分化。
(3)d表示给胚状体包裹上人工胚乳和人工种皮。
(4)e表示将人工种子种植获得种苗的过程。
答案 B
【一题多变】
判断正误：
(1)人工种子一般用离体的植物细胞通过组织培养技术获得。( )
(2)胚状体是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。( )
(3)同一批次的人工种子可以保证具有相同的基因型。( )
(4)胚状体是由未分化的、具有分裂能力的细胞构成的。( )
答案 (1)√ (2)√ (3)√ (4)×
二、作物新品种的培育及细胞产物的工厂化生产
1．单倍体育种
(1)原理：染体变异。
(2)过程：取亲本植株花药单倍体幼苗纯合子植株。
(3)优点
①单倍体经过染体加倍，获得的后代为纯合子，可明显缩短育种年限(一般为2年)。
②用单倍体作为转基因的受体，获得的转基因材料经染体加倍后基因即可纯合，避免了体细胞作为受体导致后代发生性状分离需要多代选择的麻烦。
(4)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．突变体的应用
(1)原理：突变及植物细胞的全能性，突变包括基因突变和染体变异两种。
(2)突变体：在植物组织培养过程中，处于分生状态的培养细胞，容易受到培养条件和外界压力(如射线、化学物质等)的影响而发生基因突变或染体变异，由此发育而成的个体称为突变体(如图所示)。
(3)体细胞诱变育种：人们从突变体中筛选出对人们有用的个体，进而培育成新品种，这种育种方式叫突变体育种。
①优点：提高愈伤组织的突变率，可以获得高抗、高产、优质、抗逆的新品种，加快了育种进程。
②缺点：a.突变不定向，需要处理大量突变材料；b.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)原理：植物细胞在代谢过程中，能够产生一些有机化合物，如人参皂甙、奎宁、紫杉醇，它们可以作为药物、杀虫剂、香料、素等的原料。可以通过大规模培养植物细胞，从中提取这些物质。
(2)技术：植物组织培养技术
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，经过培养选择增殖速度快而且细胞内人参皂甙含量高的细胞株作为种质。
②将第一步选择的细胞株放在发酵罐中的适当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。
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