植物细胞工程
一、教学目标
1. 简述植物组织培养和植物体细胞杂交技术。2. 列举植物细胞工程的实际应用。3. 尝试进行植物组织培养。
二、教学重点和难点
1.教学重点（1） 植物组织培养的原理和过程。（2） 植物体细胞杂交的原理。（3） 植物细胞工程应用的实例。
2.教学难点植物组织培养的实验。
三、教学策略
本节教材内容对学生来说，虽说在必修模块中学了一些细胞的知识，但仍然是一个新的领域，学习起来有一定的困难。教师可采用讲授为主结合讨论的方法进行教学。具体建议如下。
在细胞的全能性及细胞分化的实质、植物组织培养技术这部分内容的教学中，首先可用教材上的菊花图引入本节的标题，同时提出一个问题──为什么植物的一个花瓣就可以培育出完整的植株呢？以引入本节课的第一个问题──细胞的全能性及分化。关于细胞的全能性和细胞分化这部分内容，因为学生在必修模块中学过，所以可以提问的方式让学生回顾，教师再根据学生的回答情况按教材上的内容进行讲解。然后再通过“怎样把植物的一个花瓣培育成完整的植株”这个问题引入本节课的重点及难点问题──植物组织培养技术。教材这部分的内容是通过实验“胡萝卜的组织培养”来进行讨论和总结的，应当尽量创造条件完成这个实验。在不具备完成该实验条件的学校，可以带领学生参观组培实验室，或让学生观看植物组织培养技术的录像片。同时结合教材的讨论题进行教学，还可再补充两个问题：
（1）离体的器官、组织或细胞如果不进行脱分化处理，能否培养成完整植物体？
（2）决定植物细胞脱分化、再分化的关键因素是什么？
在植物体细胞杂交技术及植物繁殖的新途径的教学中，首先可通过教材上的番茄—马铃薯实例引入，让学生思考20世纪60年代，一些科学家提出这样一个设想：让番茄与马铃薯杂交，培育出地上结番茄果实，地下结马铃薯块茎的植物。如果要实现这一设想，你认为可
以采用哪些方法？这样一来一下子就把学生吸引到本节课要解决的问题──植物体细胞杂交技术上。随后让学生分析植物体细胞杂交技术的概念，再根据此概念，结合学生原有的植物细胞结构特点、酶的特性及新学习的植物组织培养技术的知识来回答下述问题：
（1）要想让两个来自不同植物的体细胞融合在一起，遇到的第一个障碍是什么？
（2）有没有一种温和的去细胞壁的方法？
（3）如果两个来源不同的原生质体发生融合形成了细胞，下一步该对此细胞做何种处理？
（4）如何将细胞培育成植株？与学生一起讨论后，再按教材上的植物体细胞杂交技术流程图进行总结，重点讲解以下内容。
① 流程图中为了简化，仅画了一个马铃薯的原生质体与一个番茄的原生质体之间的融合，可真正在实际操作过程中，是把许多马铃薯的原生质体和许多番茄的原生质体放在一起，让它们自由融合，再从中筛选出所需的细胞。
② 由于不同种的细胞其细胞膜的特点不一样，如不作任何处理，把它们放在一起，让它们自然融合是不可能的，所以原生质体间的融合必须要人工诱导。最后要特别强调植物体细胞杂交技术的意义，以及植物体细胞杂交已取得的进展和尚未解决的问题，使学生认同科学是一个不断发展的过程，激发学生探索生命科学奥秘的兴趣及勇于质疑的科学精神。
在植物繁殖新途径的教学中，首先可由植物组织培养技术引入，让学生回忆植物组织培养技术的基本原理和过程，思考利用这项技术能做哪些工作？再逐一讲解微型繁殖技术、作物脱毒及人工种子。
微型繁殖技术的特点教师需从教材中提炼出来：① 繁殖速度快；②“高保真”（因为是无性繁殖）；③ 不受自然生长季节的限制（因为在具有一定人工设施的室内生产）。
关于植物组织培养的其他应用，应当参照教材的思路，先介绍生产实践中遇到的问题，说明社会生产的实际需要，再介绍科技人员是如何应用植物组织培养技术解决这些问题的。例如，关于在作物脱毒中的应用，应当先介绍长期进行无性繁殖的作物，易积累感染的病毒，导致产量降低，品质变差，而植物的分生区一般不会感染病毒，用分生区的细胞进行组织培养，就能得到大量的脱毒苗。这样进行教学，一是能够让学生更好地理解先进技术
的应用价值，二是能够调动学生的学习兴趣，三是有利于培养学生分析问题、解决问题的能力。
在细胞产物的工厂化生产的教学中，尽管此内容是植物组织培养技术在另一方面的重要应用，但由于学生对此内容易于理解，所以教师可先让学生阅读教材，再结合资料分析，师生共同讨论资料分析中的讨论题。
四、答案和提示
2.1.1植物细胞工程的基本技术
（一） 思考与探究
1.为什么“番茄—马铃薯”超级植株没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马铃薯？
人是用什么繁殖提示：1978年，梅尔彻斯（Melchers）等人首次获得了马铃薯与番茄的属间体细胞。他们将培育的二倍体马铃薯品系和番茄叶片细胞进行融合，所产生的杂交株被称为“马铃薯
番茄”。像大多数一样，杂交株同时具有马铃薯和番茄的形态特征。其中一些植株形成了“类似块茎的生殖根”，但是没有产生可结实的花、果实以及真正意义上的块茎。到目前为止“马铃薯—番茄”一类的体细胞杂交植物还不能产生经济效益，但是其研究价值不可忽视。
至于马铃薯—番茄没有像人们预想的那样地上长番茄、地下结马铃薯，主要原因是：生物基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以马铃薯—番茄杂交植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，但这些遗传物质的表达受到相互干扰，不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。
2.自然界中有一种含有叶绿体的原生动物──眼虫，说明植物的细胞器同样可以在某些动物细胞中存活，请探讨：动物细胞与植物细胞之间可以实现杂交吗？如果理论上可行，请设计出具体实验方案。
提示：根据眼虫的特点，动物细胞和植物细胞之间在理论上是可以实现杂交的。具体的实验方案可以设计如下：
（二） 正文中讨论题
【实验 胡萝卜的组织培养】
1.在组织培养实验中，为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作？
提示：植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成分，有利于培养物的生长，然而各种杂菌同样也可以在上面迅速生长，所以植物组织培养过程中污染现象经常发生。培养基一旦被污染，迅速生长的各种杂菌不但会和培养物争夺营养，而且这些杂菌生长的过程中会生成大量对培养物有害的物质，导致培养物迅速死亡。
造成培养基污染的因素有很多，一般包括：外植体带菌、培养瓶和各种器械灭菌不彻底、操作人员操作不规范等。所以在组织培养实验中用到的植物材料和各种器械都要进行彻底地灭菌，实验人员操作一定要规范，避免带入杂菌。
2.在本实验中，切取胡萝卜块根时强调要切取含有形成层部分，原因是这部分容易诱导形成愈伤组织。请思考一下，胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花），是否也能培养成小植株，你能用实验的方法进行验证吗？
提示：胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花）也能培养再生形成小植株，只是诱导愈伤组织比较困难。可以让学生参考利用胡萝卜根进行组织培养的实验，尝试设计出利用胡萝卜的茎、叶、花进行组织培养的实验流程。
3.请根据上面的实验过程，概括出植物组织培养技术的流程简图。
提示：
2.1.2植物细胞工程的实际应用
（一） 思考与探究
1.通过查阅资料，请你再列举出植物组织培养技术在我们生活中的另外一些应用。
提示：a. 拯救濒危植物；b. 提供食品制作的原料；c. 利用愈伤组织进行转基因操作。
2.请查阅植物人工种子制备技术的详细过程，设计出制备技术的主要流程图。
提示：诱导植物愈伤组织↓体细胞胚的诱导↓体细胞胚的成熟↓体细胞胚的机械化包裹贮藏或种植
3.请查阅相关文献，设计出一种植物花药组织培养和染体加倍的实验流程。
提示：
花药花粉细胞培养愈伤组织分化出小植物单倍体植株正常植株
（二） 正文中讨论题
1.人们利用植物的微型繁殖技术来进行工厂化育苗生产，这是利用了该项技术的哪些特点？
提示：植物“微型”繁殖技术具有高效性和可以保持种苗的优良遗传特性的优势。工厂化大规
模育苗生产正是利用了植物“微型”繁殖技术的这两方面优势。利用植物“微型”繁殖技术我们可以在短时间中获得大量的优质种苗。
2.人工种子之所以神奇，是由于它具有天然种子不可比拟的特点，想一想它们具有哪些优点？
提示：人工种子的优点：
（1）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；天然种子在生产上受季节限制，一般每年只繁殖1～2次，有些甚至十几年才繁殖一次。而人工种子则可以完全保持优良品种的遗传特性，生产上也不受季节的限制。
（2）试管苗的大量贮藏和运输也是相当困难的。人工种子则克服了这些缺点，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。
3.人工种皮是保证包裹在其中的胚状体顺利生长成小植株的关键部分，请探讨人工种皮中应该具有的有效成分是什么？为了促进胚状体的生长发育，我们还可以向人工种皮中加入哪些物质？
提示：针对植物种类和土壤等条件，在人工种子的包裹剂中还可以加入适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等。为了促进胚状体的生长发育，还可以向人工种皮中加入一些植物生长调节剂。
4.高效抗癌的药物紫杉醇，虽然能造福人类，但却为濒危的红豆杉带来一场灭顶之灾。以“我们能否利用植物组织培养技术大量生产紫杉醇，从而拯救红豆杉”为题，与同学展开讨论，说出植物组织培养技术在节约资源、保护环境方面的重要意义。
提示：可以利用植物组织培养技术来大量生产紫杉醇。现在国内外的科学家们正在研究利用植物细胞培养技术来大量培育红豆杉细胞，希望利用这种方法来大量生产紫杉醇。国内外许多实验室开展了用组织培养法生产紫杉醇的研究，红豆杉属的11种植物现都在进行组织培养。ESC Agenetics公司宣布他们用细胞培养法所得紫杉醇的含量是树皮的2～5倍。国内外在分化细胞株系和培养条件方面做了不少工作，摸索了外植体、光照、培养基组成等因素对细胞培养及紫杉醇生成的影响。现在工艺条件已基本摸清，正研究反应的放大技术等，有望实现通过细胞培养进行工业化生产紫杉醇的目标。
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