教学基本信息
课题
2.1.2 植物细胞工程的实际应用
教材模块
选修三
年级
高三
学段
指导思想与理论依据
本篇内容由于是植物细胞工程的应用，有关原理在前面已经学习过，而本小节又相对简单，所以以学生自主学习为主。教师在学习过程中，主要是进行引导并对重难点着重讲解。同时，通过对教材问题的讨论，对老师所提问题及学生学习过程中产生的疑问的分析和讨论，不仅让同学们获得知识，掌握知识。还可以对生物科学的发展尤其是植物细胞工程的神奇应用有着新的认识，新的领悟。这样就可以激发学生热爱科学，热爱生物的情感，可以使他们开阔视野，增长知识，树立更加明确的奋斗目标。
教学背景分析
教学内容：植物细胞工程的实际应用
学生情况：学生基础好，上课时积极性很高，部分同学悟性强。但协作能力相对较弱，在集体讨论问题时两极分化，小组内部解决问题的效率还有待提高。
教学方式：互动式教学、启发诱导式、讨论法
教学手段：课件
技术准备：无
教学目标
知识目标：
1、掌握微型繁殖和植物组织培养的联系
2、掌握作物脱毒、人工种子的制备过程和意义
3、了解单倍体育种和突变体的利用
4、了解细胞产物的例子
能力目标：
1、搜集有关细胞工程研究进展和应用方面的资料，进行整理、分析和交流。
2、掌握细胞工程有关原理，对细胞工程的应用有客观理智认识。
情感目标：
1、认同细胞学基础理论研究与技术开发之间的关系；
2、关注细胞工程研究的发展和应用前景。
教学过程(文字描述)
【知识网络体系】
提出问题：组织培养的原理和过程是怎样的？
学生回答：略
布置任务：先请同学们阅读教材，分组讨论，并总结归纳。
【重难热点归纳】
一 植物繁殖的新途径
1．微型繁殖与无性生殖
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，因此能保证亲、子代遗传特性不变。利用这种技术能高效快速实现种苗的大量繁殖。1年中从一个芽得到103-106个芽，达到快速目的。现在在国内外已掀起"试管苗"热，许多花卉、林木、果树、蔬菜都可通过组织培养进行大规模的无性繁殖。国外在草莓、苹果、柑桔、兰花、石竹、铁线莲、杜鹃、月季、桉树等进行快速繁殖已达到商品化。我国近年来已获成功的有甘蔗、月季、菊花、无籽西瓜、栎树、山楂、猕猴桃、雪松等。
讨论：教材P38讨论：
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？
学生归纳 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”繁殖技术使我们可以在短时间中获得大量的优质种苗。
2．微型繁殖与作物脱毒、人工种子
作物脱毒、人工种子、单倍体育种的培育过程均有采用微型繁殖的技术。
①病毒是植物的严重病害，病毒病的种类不下五百多种。受害的粮食作物有水稻、小麦、马铃薯、甘薯，蔬菜作物有：油菜、大蒜，果树有：柑桔、苹果、枣，花卉有：唐菖蒲、石竹、兰花等。防治无方，只好拔除病株，因而造成很大经济损失。病毒在植株上的分布是不均一的，老叶、老的组织和器官病毒含量高，幼嫩的未成熟组织和器官病毒含量较低，生长点几乎不含病毒或病毒较少。因此，作物脱毒主要是强调微型繁殖的取材一定是无毒（的如茎尖、根尖）；当然，在整个操作过程中也必须进行无菌操作，才能繁殖出无毒的幼苗。作物脱毒后可以增加产量，提高品质。近年来，在花卉、水果、蔬菜等各方面都得到了广泛的应用。
②人工种子采用的还是微型繁殖的技术，但是只需培育得到胚状体、不定芽、顶芽和腋芽，包上人工种皮就可形成人工种子，其中的胚状体等结构类似于植物种子中的胚，而人工种皮不仅起到种皮的作用，更是起到了子叶或胚乳的作用，能为人工种子的萌发提供营养；如果，在人工种皮中加入植物生长调节剂，有益菌等，更是可以让人工种子成活率大大提高，促进幼苗茁壮成长。人工种子与微型繁殖得到的幼苗一样能保持亲本的优良性状，另外还可不受气候、季节和地域的限制，可以大规模工厂化生产。
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
讨论：教材P40讨论：
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？
教师适当提示，再由学生讨论总结：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。
二 作物新品种的培育
单倍体育种 实质仍是一种植物组织培养技术，优点是后代无性状分离，后代都是纯合子，能够稳定遗传，明显缩短育种年限。单倍体育种从本质上说属于有性生殖，这一点与微型繁殖有所区别。但单倍体育种首先要进行花药离体培养，采用还是微型繁殖的技术，然后用秋水仙素处理，获得纯合子。
过程：
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
②突变体的利用
提问：哪些因素可以使细胞产生突变？细胞在什么时候最容易突变？
提示：引起细胞突变的外界因素主要是高能射线及某些化学物质；细胞分裂旺盛时，最容易突变
提问：组织培养时，细胞分裂情况如何？如果此时认为施加某些（如射线等）处理，结果会怎样？
解析：组培时，细胞一直处于分生状态，很容易受培养条件和外界压力的影响而产生突变。从这些突变体中可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育出新品种。如抗病，抗虫，耐盐，含高蛋白及高产的突变体。
想一想：如果你是一名育种专家，要你去改造辣椒，你想要获得什么性状？理论上能实现吗？有哪些方法可实现？
三. 细胞产物
许多植物在代谢过程中，会产生许多特殊的化学物质，有的是化工原料，有的是药品，有的是食品添加剂，香精等。这些化合物许多都是高等植物的次生代谢物，有些化合物还不能大规模地人工合成，而靠植物产生这些化合物来源有限；且许多植物本身生长周期长，产量低。因此，利用组织培养方法，培养植物的某些器官或愈伤组织，并筛选出高产、高合成能力、生长快的细胞株系，以进行工业化生产，是一条行之有效的途径，可以迅速的得到大量的产品。
讨论：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。
学生讨论后回答，教师进行评价并系统讲解：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。
四 知识巩固：（学生课前预习的时候做，课堂上告诉学生答案并简单评讲）
出示案例一：生姜是药食两用的经济作物，具有栽培容易、产量高、价格高等特点，近年在各地发展很快。但是生姜在生产上长期采用无性繁殖，容易感染多种病毒病，使生姜品质变差，叶子皱缩，生长缓慢，一般减产30%～50%。目前生产上采用茎尖分生组织离体培养的方法快速繁殖脱毒的种苗，以保证该品种的品质和产量水平。这种通过分生组织离体培养获得种苗的过程不涉及细胞的
A.有丝分裂 B.分化 C.减数分裂 D.全能性
[解析]考查植物组织培养的原理、过程。植物组织培养的原理是植物细胞的全能性。过程是：离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织根、芽植物体。此过程是一个无性繁殖的过程，细胞数目增多的方式是有丝分裂，并且涉及细胞的分化。
[答案]C
二、植物组织培养
??????? ①?? ② ??? A B C D
（1）依据的原理是 ，根本原因 。（全能性的概念、比较）
（2）B表示 ，它与A相比分化程度 ，全能性 。 （3）A B处和C D处的培养基从形态上是否相同？是否要灭菌？培养基一般含哪几种成分？激素的种类及作用？
（4）若想制作人工种子，应该选用（填字母） 。若A是花药，则D是 ，继续对其使用 处理可获得 正常植株，该过程称为 。 （5）若A是胡萝卜根尖细胞，则培养成的D的叶片的颜色是 ，这说明根尖细胞 。 （6）若利用此项技术制造治疗烫伤、割伤的药物——紫草素，培养将进行到（填字母） 。
师生共同总结：
植物组织培养的概念、原理、过程。
细胞全能性的概念、全能性大小的比较
植物组织培养所需的条件：离体（为什么？）、无菌、培养基（形态、成分）、环境条件。
植物组织培养过程中注意的问题
（1）该过程从繁殖方式上应为无性繁殖，细胞分裂方式为有丝分裂，包含脱分化和再分化两个阶段。
（2）愈伤组织为脱分化后形成的细胞，应视为无分化的细胞
（3）获取细胞产品的时期应为脱分化之后再分化之前的愈伤组织；制作人工种子需再分化后形成的胚状体阶段。
三、中科院上海植物生理生态研究所在“神舟四号”飞船进入太空后为一对“新人”——黄花烟草原生质体和革新一号烟草原生质体举办了特殊的“婚礼”。将两个“新人”放入融合器中，当充满液体的融合器加上直流电场，两个原本相互游离的细胞一下子贴到一起，开始了“窃窃私语”。紧接着，在瞬间高压脉冲的作用下，细胞膜被击出了一个小孔，透过这微小的空间，两股细胞质展开了“心灵沟通”。渐渐地，细胞核也扭摆着“亲热”起来，20min后，它们俩已是你中有我，我中有你，一个新生命就这样诞生了。地面实验结果显示：用于融洽的两个“新人”，一个开的是粉花（标记为“一号”），一个开的是黄花（标记为“二号”）融合后的细胞再生植株开的是黄花，但形状却和一号相同（称“一号形状”，另一个称“二号形状”）。这种“太空烟草”比普通烟草个子矮，株秆粗，烟叶多，是我国太空育种试验的一项重大成果。据此回答下列问题：
（1）由于细胞的密度不同，因此在地面上进行细胞融合非常困难。从理论上讲，在太空中细胞更容易融合，可能的原因是 。在显微镜下观察，“新人”的细胞膜融合在一起，使细胞呈圆球状，这是因为膜具有 特性。“细胞婚礼”中用到的诱导融合技术是 。
（2）两种烟草原生质体融合时， 类型是我们需要的，这样的细胞经组织培养后，再生的植株属 倍体。
（3）植物体细胞融合技术与传统的有性杂交相比，其优点是 。
（4）“太空烟草”能稳定遗传吗？为什么？ 。
答案：（1）重力作用很弱 细胞膜有具一定的流动性 电刺激诱导融合
（2）自身融合 多（或四） （3）克服了远缘杂交不亲和的障碍
（4）如果“太空烟草”为纯合子，无性繁殖和有性繁殖都能稳定遗传；如果为杂合子，无性繁殖能稳定遗传，有性繁殖会出现性状分离。培养过程中也可能会发生基因突变
课外讨论：如何在香蕉组培的各个环节中减少和防止产生变异？
提示：从变异产生的原因及条件结合组织培养的各个环节去思考。
总结：以上各技术之间的联系
学习效果评价设计
评价方式
学习效果的评价包括小组对个人的评价和学生个人的自我评价。评价内容主要围绕三个方面： ① 自主学习能力； ② 协作学习过程中作出的贡献； ③ 是否达到意义建构的要求。 应使学生不感到任何压力、乐意去进行，又能客观地、确切地反映出每个学生学习效果的评价标准和评价方法。
评价量规（１０分制）
① 自主学习能力：自习教材内容后，能基本理解教材内容，能基本正确的回答有关问题，可给３分，其他依次递减
② 协作学习过程中作出的贡献 在进行讨论时，组内成员很积极，合作性强，在展示时，积极主动，且讨论富有成效，可给４分，其他递减
③ 是否达到意义建构的要求。回答问题时，是切合题意，表达时语义准确，用词专业规范，条理清晰，可给３分
本教学设计与以往或其他教学设计相比的特点(300-500字数)
本节教学内容较为简单，因此教师讲解时间比其他章节应该更少，学生自主学习时间相应就更多。与其他章节相比，本节内容，更能体现学生自主学习，相互协作的能力。在教学过程中，教师主要起到抛砖引玉的作用，对一些重点难点进行适当的讲解和启发；同时要灵活合理的引导学生对一些在学生能力范围内的问题进行讨论，并让学生及时进行展示，教师和其他学生一起进行评价。
由于时间充裕，所以在课内不仅可以讨论书本上所给出的问题，教师也可以灵活的根据教材内容，教学过程及学生的疑问和某些提示，在设计一些问题展开讨论，如：
１ 如果你是一名育种专家，要你去改造辣椒，你想要获得什么性状？理论上能实现吗？有哪些方法可实现？
２ 如何在香蕉组培的各个环节中减少和防止产生变异？
这些问题，既可以让学生巩固已学的知识，又可以用这些知识解决一些问题，还可以培养学生的协作能力，激发学生的兴趣，充分发挥学生的想象力。
课件28张PPT。植物细胞工程的实际应用 一、植物繁殖的新途径 概念:
快速高效实现种苗繁植培育优良植物品种的植物组织培养技术。1.微型繁殖技术植物组织培养车间及组培植物优点：
①快速高效地实现种苗的大量繁殖；
②保持优良品种的遗传特性；
③不受自然生长季节的限制;
④可以有效挽救珍稀濒危的植物
⑤可以进行工厂化生产教材P38讨论：
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？
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”繁殖技术使我们可以在短时间中获得大量的优质种苗。
产业化育苗2.作物脱毒
（1）作物脱毒的原因:
长期进行无性繁殖的作物，易积累感染的病毒，导致作物产量降低，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。（2）材 料:分生区（如茎尖）的细胞
（3）脱毒苗:切取茎尖进行组织培养获得脱毒甘蔗（右）与未脱毒甘蔗的对比说明：病毒在植株上的分布是不均一的，老叶、老的组织和器官病毒含量高，幼嫩的未成熟组织和器官病毒含量较低，生长点几乎不含病毒或病毒较少。因此，作物脱毒主要是强调微型繁殖的取材一定是无毒（的如茎尖、根尖） 3.神奇的人工种子人工种子：用组培技术获得具有胚芽、胚轴、胚根等结构的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽，并用人工薄膜包裹起来，而形成的种子。(1)特点:①可以保持优良品种的遗传特性 ；
②不受气候,季节和地域限制。
③可以很方便地贮藏和运输
(2)技术:植物组织培养。
(3)原理:植物细胞的全能性
(4)产生途径：①由已脱分化的外植体直接产生；
②由愈伤组织产生。
(5)结构:人工薄膜胚状体
或不定芽或顶芽或腋芽。（5）优点：
①解决了有些某些植物繁殖力差、结籽困难或发芽率低等问题。
②可以工业化生产，提高农业的自动化程度。
③可在胚乳中添加各种附加成分。如：固氮菌、防病虫农药、除草剂等。
④用人工种子播种可节约粮食。
如马铃薯,甘蔗的种植教材P40讨论：
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？
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。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。 二、作物新品种的培育1.单倍体育种
（1）方法:花药离体培养
（2）优点:
①后代能稳定遗传,都是纯合体;
②明显缩短育种年限。单倍体育种的原理:
单倍体经过秋水仙素等处理使其染色体加倍以后产生的二倍体，其基因是高度纯合的，单倍体育种就是利用单倍体的这种特性。
单倍体育种只需两年即可得到纯合新品种 2.突变体的利用
(1)产生:植物组织培养
(2)利用:筛选对人们有利突变体,进而培育新品种提问并讨论
哪些外界因素可以使细胞产生突变？细胞在什么时候最容易突变？
组织培养时，细胞分裂情况如何？如果此时认为施加某些（如射线等）处理，结果会怎样？ 三、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。如人参皂甙，紫杉醇等
2.技术：
植物的组织培养讨论：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。 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。 （1）试管苗的快速繁殖
（2）无病毒植物的培育
（3）提取原料
（4）人工种子
（5）转基因植物的培育植物组织培养的应用 现在已有胡萝卜、芹菜、柑橘、咖啡、棉花、玉米、水稻、橡胶等几十种植物的人工种子试种成功，但由于成本较高，中国尚未应用于生产。练习一
生姜是药食两用的经济作物，具有栽培容易、产量高、价格高等特点，近年在各地发展很快。但是生姜在生产上长期采用无性繁殖，容易感染多种病毒病，使生姜品质变差，叶子皱缩，生长缓慢，一般减产30%～50%。目前生产上采用茎尖分生组织离体培养的方法快速繁殖脱毒的种苗，以保证该品种的品质和产量水平。这种通过分生组织离体培养获得种苗的过程不涉及细胞的
A.有丝分裂 Ｂ.分化 C.减数分裂 D.全能性
[解析]考查植物组织培养的原理、过程。植物组织培养的原理是植物细胞的全能性。过程是：离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织根、芽植物体。此过程是一个无性繁殖的过程，细胞数目增多的方式是有丝分裂，并且涉及细胞的分化。
[答案]C练习二
植物组织培养
??????? ①?? ② ??? A→B → C → D
（1）依据的原理是 ，根本原因 。（全能性的概念、比较）
（2）B表示 ，它与A相比分化程度 ，全能性 。 （3）A → B处和C → D处的培养基从形态上是否相同？是否要灭菌？培养基一般含哪几种成分？激素的种类及作用？
（4）若想制作人工种子，应该选用（填字母） 。若A是花药，则D是 ，继续对其使用 处理可获得 正常植株，该过程称为 。 （5）若A是胡萝卜根尖细胞，则培养成的D的叶片的颜色是 ，这说明根尖细胞 。 （6）若利用此项技术制造治疗烫伤、割伤的药物——紫草素，培养将进行到（填字母） 。师生共同总结：
植物组织培养的概念、原理、过程。
细胞全能性的概念、全能性大小的比较
植物组织培养所需的条件：离体（为什么？）、无菌、培养基（形态、成分）、环境条件。
植物组织培养过程中注意的问题
（1）该过程从繁殖方式上应为无性繁殖，细胞分裂方式为有丝分裂，包含脱分化和再分化两个阶段。
（2）愈伤组织为脱分化后形成的细胞，应视为无分化的细胞
（3）获取细胞产品的时期应为脱分化之后再分化之前的愈伤组织；制作人工种子需再分化后形成的胚状体阶段。练习三、中科院上海植物生理生态研究所在“神舟四号”飞船进入太空后为一对“新人”——黄花烟草原生质体和革新一号烟草原生质体举办了特殊的“婚礼”。将两个“新人”放入融合器中，当充满液体的融合器加上直流电场，两个原本相互游离的细胞一下子贴到一起，开始了“窃窃私语”。紧接着，在瞬间高压脉冲的作用下，细胞膜被击出了一个小孔，透过这微小的空间，两股细胞质展开了“心灵沟通”。渐渐地，细胞核也扭摆着“亲热”起来，20min后，它们俩已是你中有我，我中有你，一个新生命就这样诞生了。地面实验结果显示：用于融洽的两个“新人”，一个开的是粉花（标记为“一号”），一个开的是黄花（标记为“二号”）融合后的细胞再生植株开的是黄花，但形状却和一号相同（称“一号形状”，另一个称“二号形状”）。这种“太空烟草”比普通烟草个子矮，株秆粗，烟叶多，是我国太空育种试验的一项重大成果。据此回答下列问题：
（1）由于细胞的密度不同，因此在地面上进行细胞融合非常困难。从理论上讲，在太空中细胞更容易融合，可能的原因是 。在显微镜下观察，“新人”的细胞膜融合在一起，使细胞呈圆球状，这是因为膜具有 特性。“细胞婚礼”中用到的诱导融合技术是 。
（2）两种烟草原生质体融合时， 类型是我们需要的，这样的细胞经组织培养后，再生的植株属 倍体。
（3）植物体细胞融合技术与传统的有性杂交相比，其优点是 。
（4）“太空烟草”能稳定遗传吗？为什么？ 。答案：（1）重力作用很弱 细胞膜有具一定的流动性 电刺激诱导融合
（2）自身融合 多（或四） （3）克服了远缘杂交不亲和的障碍
（4）如果“太空烟草”为纯合子，无性繁殖和有性繁殖都能稳定遗传；如果为杂合子，无性繁殖能稳定遗传，有性繁殖会出现性状分离。培养过程中也可能会发生基因突变课外讨论：如何在香蕉组培的各个环节中减少和防止产生变异？
提示：从变异产生的原因及条件结合组织培养的各个环节去思考。
