2.1 第2课时 植物细胞工程的应用 课件 (共47张PPT)2023-2024学年高二生物人教版（2019）选择性必修3

(共47张PPT)
第2章 细胞工程
第1节 植物细胞工程
第2课时 植物细胞工程的应用
1.基于生产和生活需要,通过查阅相关资料,设计并实施恰当可行的实验方案。(科学探究)
2.列举植物组织培养技术在生产实践中的应用,说明植物细胞工程对生产的影响。(社会责任)
一、植物繁殖的新途径
1.快速繁殖
(1)概念:用于快速繁殖优良品种的________________技术,也叫作微型繁殖技术。
(2)特点
a._________繁殖,保持优良品种的遗传特性 。
b.高效、快速地实现种苗的_____________。
c.可实现工厂化生产。
植物组织培养
大量繁殖
无性
2.作物脱毒
(1)选材部位:植物顶端___________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。
分生区
二、作物新品种的培育
花药(或花粉)离体培养
1.单倍体育种
(1)方法:_________________________。
(2)过程:花药(或花粉) 单倍体植株 纯合子植株。
(3)优点:能培育出遗传性状相对稳定的纯合二倍体植株;缩短了育种的年限,节约了大量
的人力和物力;染色体加倍后得到的植株可作为体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想
材料。
2.突变体的利用
(1)原理:____________或染色体变异。
(2)产生原因:在植物的组织培养过程中,由于培养细胞一直处于不断_________的状态,因
此它们容易受到培养条件和诱变因素(如射线、化学物质等)的影响而产生突变。
(3)结果:可以从产生突变的个体中筛选出对人们________________,进而培育成新品种。
基因突变
增殖
有用的突变体
三、细胞产物的工厂化生产
1.次生代谢物
(1)定义:不是植物基本的生命活动所必需的产物。
(2)种类:__________有机化合物,如酚类、萜类和含氮化合物等。
(3)作用:在植物抗病、抗虫等方面发挥重要作用,也是很多药物、香料和色素等的重要
来源。
小分子
2.方法:对_______________________进行培养使其增殖。
3.优势:不占用耕地,几乎不受季节、天气等的限制,对于社会、经济、环境保护具有重要
意义。
4.应用:紫杉醇、紫草宁、人参皂苷等的生产。
单个植物细胞或细胞团
任务 植物细胞工程的应用
活动1 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。下图都利用了植物组织培养,观察并回答问题:
1.草莓培育过程中为什么要进行脱毒 如何培育草莓的脱毒幼苗
提示 对于草莓等通常用无性繁殖的方式进行繁殖的作物,它们感染的病毒很容易传给后代,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。植物顶端分生区附近的病毒极少,甚至无病毒,因此切取一定大小的草莓植株的茎尖进行组织培养,再生的植株就有可能不带病毒,从而获得草莓的脱毒幼苗。
2.像马铃薯、草莓和香蕉等作物脱毒后产量和品质明显提高,为什么小麦和玉米等脱毒后产量却基本没有变化
提示 马铃薯、草莓和香蕉通常进行无性繁殖,感染的病毒很容易传给后代,而小麦和玉米是通过种子繁殖的,感染的病毒不容易传递给子代。
3.利用快速繁殖技术培育草莓植株时,为什么用诱变因素处理愈伤组织更易诱发突变 产生的变异一定符合需要吗
提示 愈伤组织细胞处在分裂过程中,要进行DNA分子的复制,因此更易发生突变。由于突变具有不定向的特点,因此产生的变异不一定符合需要。
4.快速繁殖技术有哪些优点
提示 ①高效、快速地实现种苗的大量繁殖,还可以保持优良品种的遗传特性;②使用材料少,培养周期短,繁殖率高;③不受季节、气候、自然灾害等因素的影响;④便于自动化管理,可实现工厂化生产。
认知生成
途径 原理 优点 实例
快速 繁殖 利用体细胞进行无性繁殖 ①保持优良品种的遗传特性; ②高效、快速地实现种苗的大量繁殖 快速繁殖兰花
作物 脱毒 用植物顶端分生区附近的细胞进行组织培养,再生的植株可能不含病毒 提高作物产量和品质 脱毒马铃薯的培育
例1 (2022·滨州期末)马铃薯野生种具有抗病、抗逆等优良性状,马铃薯栽培种由于长
期无性繁殖而种质退化。下图表示利用马铃薯野生种改进马铃薯栽培种的技术路径。
下列说法不正确的是(　　)。
A
A.马铃薯栽培种和马铃薯野生种之间不存在生殖隔离
B.新品种1的育种原理为基因重组和染色体变异
C.获得新品种2的育种方法可能是植物体细胞杂交
D.过程①用到了植物组织培养技术,过程②可用秋水仙素处理马铃薯野生种
[解析] 马铃薯栽培种属于四倍体,马铃薯野生种属于二倍体,两者之间存在生殖隔离,A不正确;新品种1是由增倍马铃薯野生种与马铃薯栽培种杂交产生的,所以新品种1的育种原理为基因重组和染色体变异,B正确;新品种2是由降倍马铃薯栽培种和马铃薯野生种通过植物体细胞杂交形成的,体细胞中含有四个染色体组,C正确;过程①是花药离体培养,用到了植物组织培养技术,过程②可用秋水仙素处理马铃薯野生种,使其染色体数目增倍,D正确。
1.快速繁殖实际上是一种无性繁殖。在繁殖过程中,细胞的分裂方式是有丝分裂,一般情况下亲、子代细胞内DNA相同,所以能够保证子代遗传特性不变。
2.脱毒苗≠抗毒苗。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;而抗毒苗是把某抗病基因导入植物细胞,属于基因工程的范畴。
对点练1 (2022·大同期中)下列关于农作物脱毒苗的制备和应用的叙述,错误的是(　　)。
A
A.长期进行有性繁殖的作物易感染和积累病毒
B.制备作物脱毒苗的原理是植物细胞具有全能性
C.取顶端分生组织进行组织培养可制备脱毒苗
D.脱毒苗的使用可显著提高作物的产量和品质
[解析] 长期进行无性繁殖的作物易感染和积累病毒,A错误;制备作物脱毒苗采用植物组织培养技术,其原理是植物细胞具有全能性,B正确;顶端分生组织几乎不含病毒,可取顶端分生组织进行组织培养制备脱毒苗,C正确;脱毒苗的使用可显著提高作物的产量和品质,D正确。
活动2 作物新品种的培育
作物新品种的培育除传统的杂交育种外,还有单倍体育种、人工诱变育种、基因工程育种等。在单倍体育种领域,科学家成功地培育出中花8号、11号水稻和京花1号小麦等作物新品种。观察图示,回答相关问题:
1.完善单倍体育种的流程。
2.单倍体育种的原理是什么
提示 生殖细胞的全能性(花药离体培养得到单倍体植株)和染色体数目的变异(人工诱导单倍体幼苗使植株染色体数目加倍)。
愈伤组织
单倍体
3.单倍体育种过程中如何诱导染色体加倍 作用原理是什么
提示 用秋水仙素处理,原理是秋水仙素抑制纺锤体的形成,使细胞不能正常分裂,从而使染色体数目加倍。
4.完善突变体育种的流程。
愈伤组织
5.突变体育种的原理是什么
提示 基因突变或染色体变异。
6.在植物组织培养过程中,为什么培养的细胞容易产生突变
提示 因为培养的细胞一直处于不断增殖的状态,容易受到培养条件和诱变因素的影响而产生突变。
认知生成
植物组织培养与花药离体培养的比较
比较项目 植物组织培养 花药离体培养
相同 点 理论依据 植物细胞的全能性
基本过程 外植体→脱分化→愈伤组织→再分化→植株
影响因素 选材、营养、激素、温度、pH、光照等
比较项目 植物组织培养 花药离体培养
不同点 外植体 体细胞 生殖细胞(花粉)
生殖方式 无性生殖 有性生殖
培养结果 正常的可育植株 高度不育的单倍体植株(要获得可育的纯合植株还需要用秋水仙素处理单倍体幼苗)
操作流程 制备MS固体培养基→外植体消毒→接种→培养→移栽→栽培 选材→材料的消毒→接种和培养→筛选和诱导→移栽→栽培选育
例2 (2022·杭州二模)将基因型为CcDd的水稻的花药通过无菌操作,接入试管后,在一
定条件下形成试管苗甲,对试管苗甲用秋水仙素处理得到植株乙。下列相关叙述正确
的是(　　)。
A.愈伤组织是花粉细胞经过减数分裂后形成的不规则的细胞团
B.在愈伤组织的形成过程中,必须从培养基中获得水、无机盐和血清等物质
C.为促进花粉细胞分裂生长,需在培养基中加入一定浓度的植物激素
D.植株乙可能出现的基因型有CD、Cd、cD、cd
C
[解析] 愈伤组织是花粉细胞经过脱分化、有丝分裂后形成的不规则的细胞团,A错误;在愈伤组织的形成过程中,必须从培养基中获得水、无机盐和植物激素等物质,血清用于培养动物细胞,植物组织培养不需要,B错误;在植物组织培养过程中,脱分化和再分化过程需要生长素和细胞分裂素的诱导,所以为促进花粉细胞分裂生长,需在培养基中加入一定浓度的生长素等植物激素,C正确;基因型为CcDd的水稻的花药离体培养形成的试管苗甲的基因型为CD、Cd、cD、cd,用秋水仙素处理后,染色体数目加倍,因此植株乙可能出现的基因型有CCDD、CCdd、ccDD、ccdd,D错误。
常见四种育种方法的比较
育种方法 原理 过程 优点
快速繁殖 植物细胞的全能性 脱分化、再分化 保持优良品种的遗传特性
突变体 的利用 基因突变、植物细胞的全能性 诱变处理后组织培养 提高突变率,获得优良性状
育种方法 原理 过程 优点
单倍体 育种 植物细胞的全能性、染色体变异 花药离体培养、秋水仙素诱导染色体数目加倍 明显缩短育种年限
植物体 细胞杂交 细胞膜的流动性、植物细胞的全能性 原生质体融合、杂种细胞组织培养 打破生殖隔离,实现远缘杂交
对点练2 (2022·济宁月考)下图表示玉米(2n=20)的花药离体培养及单倍体育种的大致
过程。下列叙述错误的是(　　)。
A.过程①是脱分化,形成的愈伤组织细胞处于未分化状态
B.过程②进行的是有丝分裂,植株A是从试管苗中筛选出的
可育二倍体
C.过程①和②均要使用生长素和细胞分裂素,但两种激素的
比例不同
D.可用体积分数为70%的酒精对花药进行消毒处理
B
[解析] 过程①是脱分化过程,脱分化后的细胞的结构和功能都发生了明显改变,转变成未分化状态,A正确;过程②是愈伤组织进行再分化的过程,植株A是经过花药离体培养而获得的单倍体,B错误;生长素和细胞分裂素是启动脱分化和再分化的关键激素,它们的浓度、比例都会影响植物细胞的发育方向,C正确;操作前需用体积分数为70%的酒精对离体的花药进行消毒,D正确。
活动3 细胞产物的工厂化生产
紫草是一种重要的药用植物,其根部富含红色的萘醌类次生代谢物——紫草宁及其衍生物。它们具有抗菌、消炎、活血和诱导癌细胞凋亡等功效,同时也是一种天然染料。利用细胞产物的工厂化生产获得紫草宁已成为解决其产量问题的重要手段。
1.外植体经诱导后形成愈伤组织的过程称为什么 培养过程需要加入一定的植物激素,常见的植物激素有哪些
提示 脱分化。细胞分裂素和生长素。
2.选用新生营养芽为外植体的原因是什么
提示 细胞分化程度低,容易诱导形成愈伤组织。
3.完善细胞产物工厂化生产的流程。
4.生产目的不同,植物组织培养的阶段也不同。若要培育新个体、提取细胞产物,应分别培养到什么阶段
提示 若要培育新个体,则应培养到试管苗阶段;若要提取细胞产物,则应培养到愈伤组织阶段。
愈伤组织
细胞悬液
认知生成
植物细胞培养和植物组织培养的区别
项目 植物细胞培养 植物组织培养
原理 细胞增殖 植物细胞的全能性
目的 获得细胞产物 获得植物体
过程
应用 细胞产物的工厂化生产,如紫草宁、人参皂苷等 快速繁殖、作物脱毒等
例3 (2022·岳阳检测)从红豆杉属植物中提取分离出的紫杉醇是一种有效的抗癌药物,
传统生产方法是从红豆杉树皮和树叶中提取,但野生红豆杉是濒危植物,这种方法不利
于对它们的保护。我国科学家经过多年研究,筛选出了高产紫杉醇的细胞。通过植物
细胞培养技术可获得大量紫杉醇,实现紫杉醇的工厂化生产,过程如下图。下列叙述正
确的是(　　)。
A.紫杉醇具有高抗癌活性,是一种初生代谢物
B.离体的红豆杉组织经过肽聚糖酶处理获得分散的细胞后可直接用于细胞悬浮培养
C.植物细胞培养技术的原理是植物细胞的全能性
D.形成愈伤组织需要某些植物激素的诱导
√
[解析] 紫杉醇具有高抗癌活性,不是植物基本生命活动所必需的产物,是一种次生代谢物,A错误;离体的红豆杉组织经过纤维素酶和果胶酶处理后进行悬浮培养,B错误;植物细胞悬浮培养技术的原理是细胞增殖,C错误;植物组织培养过程中,脱分化形成愈伤组织的过程需要植物激素的诱导,D正确。
1.细胞产物一般是细胞的次生代谢物,不一定是蛋白质。
2.细胞培养一般是使细胞增殖,也可能会利用组织培养技术,先脱分化然后再分化获得所
需的特定细胞后再进行培养。
3.工厂化生产紫杉醇是先利用植物组织培养技术将植物细胞培养到薄壁细胞阶段,再在
反应器中大规模培养薄壁细胞。
4.生产并培育四倍体草莓和培育无子西瓜的原理是染色体变异。
对点练3 (2023·南京期末)辣椒素作为一种生物碱广泛用于食品保健、医药工业等领域。
辣椒素的获得途径如图所示。下列叙述错误的是(　　)。
A.图示途径体现了植物组织培养技术用于作物繁殖的新途径
B.通常需用体积分数为70%的酒精对外植体进行消毒
C.通过液体培养基来大量培养高产细胞系,可以实现辣椒素的工厂化生产
D.植物茎尖分生区附近几乎无病毒,可用作外植体培养脱毒苗,获得抗病毒的植株
D
[解析] 图中途径1通过植物组织培养技术获得脱毒苗,是作物繁殖的新途径,A正确;植物组织培养过程中需用体积分数为70%的酒精对外植体进行消毒,以实现无菌操作,B正确;植物细胞的培养一般使用液体培养基,可从细胞培养物中获取辣椒素,以实现辣椒素的工厂化生产,C正确;植物茎尖分生区附近几乎无病毒,可用作外植体培养脱毒苗,但脱毒苗不能抗病毒,D错误。
素能提升 通过对植物细胞工程在农业、医药工业等方面的应用实例的分析,认同植物细胞工程对生产生活带来的积极影响,提升分析问题、解释问题的能力
1.科研人员研究了马铃薯茎尖外植体大小对幼苗的成苗率和脱毒率的影响,结果如图。下列相关叙述错误的是(　　)。
A.培育脱毒苗所依据的原理有基因突变和细胞的全能性
B.培育脱毒苗的过程中涉及脱分化和再分化两个阶段
C.实验结果表明茎尖越小,脱毒率越高,成苗率越低
D.根据本实验,培育脱毒苗时茎尖的适宜大小为0.27 mm
√
[解析] 马铃薯茎尖病毒极少甚至无病毒,因此可利用马铃薯茎尖进行组织培养形成脱毒苗,所依据的原理是细胞的全能性,A错误;培育脱毒苗的过程中利用了植物组织培养技术,涉及脱分化和再分化两个阶段,B正确;据图可知,茎尖越小,脱毒率越高,成苗率越低,C正确;茎尖大小为0.27 mm时,脱毒率和成苗率均较高,因此培育马铃薯脱毒苗时茎尖的适宜大小为0.27 mm,D正确。
2. (2023·吉林联考)青钱柳细胞中的花青素对人体有降血糖、抗氧化、抗肿瘤等作用。为使青钱柳细胞在工厂化条件下能高效生产花青素,实验人员研究了不同浓度的2,4-D对悬浮培养的青钱柳细胞的影响,相关结果如图所示。下列叙述正确的是(　　)。
A.工厂化生产花青素受季节、天气等因素的影响较大
B.工厂化生产花青素需要将青钱柳细胞培育为幼苗
C.较高浓度的2,4-D不利于花青素的生产
D.一定浓度的2,4-D可以促进青钱柳细胞的生长
C
[解析] 工厂化生产花青素几乎不受季节、天气等因素的影响,A错误;由题意可知,从青钱柳细胞中就可以提取出花青素,不需要将青钱柳细胞培育为幼苗,B错误;由图可知,随着2,4-D浓度由0.25 mg·L-1升高到5.0 mg·L-1,总花青素产量逐渐下降,故较高浓度的2,4-D不利于花青素的生产,C正确;由图可知,随着2,4-D浓度的升高,生物量呈现下降的趋势,且均低于对照组,故一定浓度的2,4-D可以抑制青钱柳细胞的生长,D错误。
课堂小结
课堂小测
1.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。 ( )
2.培育脱毒苗所选的组织培养材料可以来自植株的任何部位。 ( )
3.单倍体育种和突变体培育的遗传学原理是一致的。 ( )
4.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
也可来自愈伤组织细胞。 ( )
5.工厂化生产的细胞次生代谢物的化学成分都是蛋白质。 ( )
√
×
×
×
×