人教版选修3 2.1.2 植物细胞工程的实际应用 学案.doc

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。重难点击1.植物繁殖的新途径。2.作物新品种的培育及细胞产物的工厂化生产。课堂导入方式一：拯救国家极危植物虎颜花虎颜花为野牡丹科单种属植物，原产广东，为罕见的野生观赏植物，有重要的科研价值。虎颜花叶片基生，叶形巨大、美丽，呈心形，上有老虎斑纹，故称虎颜花。国际自然保护联盟已将虎颜花列为极危物种。为拯救虎颜花，我国华南植物园的科学家对虎颜花进行了组织培养，获得1万株试管苗，又利用生态恢复技术，使虎颜花成功回归野外。这体现了植物细胞工程的实际应用。那么植物细胞工程技术在生产生活中还有哪些方面的应用呢？让我们进入本节的学习，一起来了解吧！方法二：具有小灵芝草之称的金钗石斛是一种名贵的中草药，它具有生津益胃、润肺止咳之功效。金钗石斛的有效化学成分为大黄酚和谷甾醇。那么我们能否在工厂内大量生产这两种物质呢？能！取金钗石斛的茎尖或根尖组织，并培养为愈伤组织再放入液体培养基中进行悬浮培养，获得大量的金钗石斛细胞，从混合液中分离纯化大黄酚和谷甾醇即可。这是植物细胞工程实际应用的一个实例，要了解更多这方面的信息，请跟随教材一起来学习吧。一、植物繁殖的新途径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)实例：脱毒马铃薯的培育。3.人工种子(1)组成：作为胚状体、不定芽、顶芽和腋芽的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。如下图：(2)特点：后代无性状分离，不受季节、气候和地域的限制。合作探究1.从繁殖类型看，微型繁殖的优点是什么？从所需条件看，微型繁殖与传统育种方法相比有哪些优点？答案微型繁殖属于无性繁殖，可以保持所繁殖品种的一切性状，因为植物组织培养过程中细胞进行的是有丝分裂，此过程中细胞内的遗传物质不发生改变。微型繁殖是在具有一定人工设施的室内生产，可以不受季节、气候等自然条件的限制。2.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。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。3.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。4.关于人工种子的思考：(1)常规的种子繁殖存在哪些缺陷？答案周期长；发生性状分离而丧失其优良特性；受到季节、气候和地域的限制。(2)常规种子包括哪几部分结构？各有什么作用？答案常规种子包括种皮、胚和胚乳，双子叶植物没有胚乳，但有肥厚的子叶。种皮具有保护功能，胚乳或肥厚的子叶为种子的萌发提供营养物质。(3)分析下图，回答问题：人工种子的胚状体和常规种子的胚在来源上有何区别？答案人工种子的胚状体是无性繁殖的结果，常规种子中的胚是有性繁殖的结果。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。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？答案a.针对植物种类和土壤等条件，在人工种子的包裹剂(人工种皮)中应具有适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等。b.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。1.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)茎尖经植物组织培养技术得到的脱毒苗抗病毒()(4)从植物体上获取的任何细胞，经组织培养得到的植株与亲本性状都完全一致()答案(1)(2)(3)(4)解析(3)“脱毒”与“抗毒”不同，前者指的是本身无病毒，受病毒感染的机会少，而后者指的是能抵抗病毒的感染。(4)若培养植物的花粉细胞，得到的是单倍体，与亲本性状不完全一致。2.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，它能像种子一样萌发生长，长成植物。人工种子的核心部位是个被外层物包埋的具有类似于胚功能的胚状体。将胚状体包埋在一个能提供营养的胶质中，便成了所谓的“人工种子”。根据材料分析回答下列问题：(1)人工种子依据的原理是_，培育胚状体利用了_技术。(2)包埋胚状体的胶质可看作自然种子的哪部分结构？_。(3)如果外植体是植物的茎尖，通过过程的处理可使细胞彼此分离，过程中可加入()a.蛋白酶 b.淀粉酶c.纤维素酶和果胶酶 d.胰蛋白酶(4)过程表示脱分化过程，其实质是_；表示再分化过程，其实质是_。(5)由人工种子萌发成的植株是否可育？_。答案(1)植物细胞的全能性植物组织培养(2)种皮及提供营养的胚乳或子叶(3)c(4)使细胞恢复分裂能力基因的选择性表达(5)不一定解析(1)人工种子能发育成完整植株，说明其细胞内含有个体发育所需要的全套遗传物质，因此依据的原理是细胞的全能性，人工种子是经过植物组织培养技术得到的。(2)包裹胚状体的胶质有保护胚状体的作用，同时又可以为胚状体提供营养物质，所以可看成种皮及胚乳或子叶。(3)使植物细胞彼此分离可以使用纤维素酶和果胶酶，因为植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶。(4)脱分化的实质是使细胞恢复分裂能力，而再分化的实质是基因的选择性表达。(5)人工种子是否可育取决于培育胚状体所用的材料。一题多变(1)经图示过程得到的人工种子基因型是否相同？答案相同。(2)若题图中植物体的基因型为ddtt，利用花药离体培养得到的“花粉胚”长成的植株可育吗？为什么？答案不可育。若植物体的基因型为ddtt，利用花药离体培养得到的“花粉胚”长成的植株的基因型可能为dt、dt、dt、dt，均属于单倍体，因此不可育。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：细胞的全能性和染色体变异。(2)过程：花药单倍体植株稳定遗传的优良品种。(3)优点子代是能稳定遗传的纯合子。明显缩短育种年限。2.突变体的利用(1)原理基因突变(用射线或诱变剂处理分生细胞，主要是指愈伤组织细胞)。植物细胞的全能性(由突变细胞培育到突变体植株)。(2)利用：筛选出有用的突变体，培育新品种。如培育抗病、抗盐、含高蛋白、高产的新品种植物。(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。合作探究1.单倍体育种中为何要进行人工诱导染色体加倍？常用的诱导方法是什么？答案由于单倍体植株弱小，高度不育，因此可用秋水仙素处理单倍体的幼苗，来诱导其染色体加倍。2.比较单倍体育种、花药离体培养及多倍体育种花药离体培养是单倍体育种时常用的方法。花药离体培养得到的植株一般是不可育的单倍体植株，而单倍体育种是在花药离体培养获得单倍体幼苗的基础上，用适当浓度的秋水仙素处理，获得的是纯合可育的植株，且一般自交后代不发生性状分离。多倍体育种常用秋水仙素或低温诱导来处理萌发的种子或幼苗，使细胞染色体组加倍，一般不使用植物组织培养技术。3.根据生产的目的不同，植物组织培养的阶段不同，如微型繁殖应培养到试管苗阶段。请分析要生产人参皂甙粉，应培养到什么阶段？答案愈伤组织阶段。4.在植物组织培养过程中，为什么培养细胞容易受培养条件和外界压力的影响而产生突变？答案因为培养细胞一直处于不断的分生状态。3.判断正误(1)诱变育种处理的材料为分裂活动旺盛的部位，如愈伤组织、芽等()(2)单倍体育种是利用花药离体培养和秋水仙素处理幼苗两个阶段得到单倍体()(3)人工种子是通过植物组织培养产生的，属于无性繁殖，可表现出双亲的遗传性状()(4)细胞产物的工厂化生产过程包括脱分化和再分化环节()答案(1)(2)(3)(4)4.下图列举了几种植物的育种方式，请据图回答相关问题：(1)甲育种方式称为_。(2)通过丁方式可以获得脱毒苗，培养过程中c常常取用茎尖的原因是_。(3)乙方式通常用射线处理植物的愈伤组织能获得较好效果，原因是_。(4)丙方式将外源目的基因导入受体植物细胞，最常采用的方法是_。(5)甲、丙两种育种方式与传统杂交育种相比，其优点是_。问题导析(1)由a、b两种细胞通过一定的技术手段获得c，属于植物体细胞杂交，能克服远缘杂交不亲和的障碍。(2)植物分生区附近(如茎尖)的病毒极少，甚至没有病毒，因此常用茎尖进行组织培养获得脱毒苗。(3)由于愈伤组织一直处于不断的分生状态，容易受到培养条件和外界压力的影响而发生突变。(4)将外源基因导入受体植物细胞的方法，最常用的是农杆菌转化法。(5)植物体细胞杂交和基因工程都能克服不同物种间远缘杂交不亲和的障碍，而传统杂交育种由于生殖隔离不能实现种间杂交。答案(1)植物体细胞杂交(2)茎尖所含病毒极少，甚至不含病毒(3)愈伤组织细胞处于不断的分生状态，易受到培养条件和外界压力的影响而产生突变(4)农杆菌转化法(5)能克服不同物种间远缘杂交不亲和的障碍方式植物组织培养突变体的利用单倍体育种植物体细胞杂交植物基因工程育种原理植物细胞的全能性基因突变、植物细胞的全能性花粉细胞的全能性、染色体变异细胞膜的流动性、植物细胞的全能性基因重组、植物细胞的全能性重要步骤脱分化、再分化对愈伤组织诱变处理花药离体培养、秋水仙素诱导染色体数目加倍原生质体融合、杂种细胞组织培养对导入目的基因的植物细胞进行组织培养优点保护优良品种的遗传特性提高突变率，获得优良性状明显缩短育种年限克服远缘杂交不亲和的障碍克服远缘杂交不亲和的障碍举例微型繁殖、脱毒苗培育、人工种子培育抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的野生烟草单育1号烟草培育“番茄马铃薯”杂种植株转基因抗虫棉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.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.方便储藏和运输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细胞工程完成的，所以可使在自然条件下不结实或结实困难的植物得以繁殖；天然种子的大量储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，可以很方便地储藏和运输；天然种子在生产上受季节的限制，而人工种子的生产则不受季节限制，而且快捷高效。3.下列关于细胞产物的工厂化生产的叙述，错误的是()a.细胞产物的工厂化生产是植物细胞工程的重要用途之一b.培养过程中需要脱分化形成愈伤组织，然后悬浮培养愈伤组织细胞c.培养的愈伤组织需要经过再分化产生特定的组织细胞后才能产生特定的细胞产物d.培养的细胞收集后一般要破碎提取有效成分答案c解析在细胞产物的工厂化生产过程中只需要悬浮培养愈伤组织细胞，利用愈伤组织细胞的分裂和代谢产生所需要的产物即可，不需要再分化。4.下列育种措施，可以增加植物突变体的是()a.采用嫁接方法培育苹果新品种b.将鱼的抗冻蛋白基因导入烟草受精卵中，培育抗冻烟草c.用紫外线对组织培养中的愈伤组织进行照射d.采用杂交技术培育高产水稻答案c解析增加突变体可用物理、化学、生物等因素诱发突变，如用紫外线进行照射等。而a选项中嫁接属于无性繁殖，b选项为基因工程，二者均不会产生新的基因，d项措施涉及的原理是基因重组，不属于突变。5.下图所示为农作物新品种的育种方式，请据图回答下列问题：(1)图示育种方式涉及到的生物工程技术有：_、_、_。(2)过程分别为_、_。(3)过程中常用的载体是_；过程表示的基因操作步骤是_。(4)上述育种与传统杂交育种相比，突出的优点是_。答案(1)基因工程植物组织培养植物体细胞杂交(细胞融合)(2)脱分化再分化(3)质粒将目的基因导入受体细胞(4)打破生殖隔离、实现遗传物质的定向改变、克服了远缘杂交不亲和的障碍，育种周期短解析(1)图中过程涉及到基因工程，过程为植物体细胞杂交，两者都需要植物组织培养技术的支持。(2)图中为脱分化的过程，可获得愈伤组织，然后经过再分化而得到胚状体。(3)基因工程中常用的载体为质粒。过程是将目的基因导入到某种植物受体细胞中。(4)不管是基因工程育种还是植物体细胞杂交育种，都会打破物种的界限生殖隔离，实现生物性状的定向改变。基础过关1.植物的微型繁殖技术是指()a.植物体细胞杂交技术b.嫁接c.营养繁殖d.植物组织培养答案d解析用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，叫植物的微型繁殖技术，也叫快速繁殖技术。2.通过植物组织培养技术繁育农作物，其优点不包括()a.加快繁育速度b.保持亲本优良特性c.培育出无病毒植株d.改变植物的基因型答案d解析植物组织培养技术不仅可以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，并通过作物脱毒提高作物产量，改善作物品质。3.某株名贵花卉用种子繁殖时会发生性状分离，为了防止性状分离并快速繁殖，可利用该植物体的一部分器官或组织进行离体培养，但不能采用该植株的()a.茎尖 b.芽 c.叶片 d.花粉粒答案d解析花粉粒细胞离体培养得到的植株是单倍体，改变了原有植株的遗传物质。4.下列关于人工种子的叙述中，不正确的是()a.可以克服季节、气候、地域的限制b.可以节约时间c.可防止性状分离d.由人工种子得到的植株为纯合子答案d解析天然种子由于在遗传上具有因减数分裂引起的重组现象，因此会造成某些遗传性状的改变，而人工种子中胚状体的遗传物质和亲本是完全相同的，故可保持亲本的遗传特性，防止性状分离；但是，由人工种子得到的植株并不一定是纯合子。5.人工种子的培育中应用的主要技术是()a.有性杂交b.植物体细胞杂交c.植物组织培养d.细胞全能性答案c解析人工种子的形成是先取植物的组织或细胞，通过植物组织培养技术，产生愈伤组织，愈伤组织分化为胚状体，包裹上人工种皮和人工胚乳就成为人工种子。6.下面为番茄组织培养过程的流程图解，以下相关叙述不正确的是()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.人工种子可以完全保持优良品种的遗传性状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.人工种子的缺点是易受季节、气候和地域的限制答案d解析人工种子的优点之一是不受季节、气候和地域的限制。7.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生状态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解析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。8.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要的营养物质，还可以添加农药和植物激素b.人工种子可以产业化生产，播种人工种子可节省大量粮食c.人工种子克服了有些作物品种繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题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解析人工种子是在植物组织培养过程中，愈伤组织再分化发育到胚状体阶段，包上人工种皮而成。人工种子的胚状体已经分化出了胚芽、胚根和胚轴等结构。能力提升9.人参皂甙是人参中重要的药用成分，以前只能从人参中提取，产量低，因而价格较贵。目前可通过下列哪项技术迅速大量获取()a.基因工程b.植物组织培养c.植物体细胞杂交d.发酵工程答案b解析人参皂甙是利用人参细胞经植物组织培养而获得的。10.下面的简式表示植物组织培养的大致过程，据此判断错误的是()a.若是来自不同植物体细胞融合的杂种细胞，则可能出现不同植物的遗传特性b.若是花粉，则是单倍体植株，经染色体加倍后可得到稳定遗传的品种c.若是人参细胞，对进行扩大培养可提高细胞产物人参皂甙的产量d.若是具有杂种优势的农作物细胞，则用进行微型繁育会发生性状分离答案d解析若是具有杂种优势的农作物细胞，则用进行繁育进行的是有丝分裂，不会发生性状分离。11.下图所示为植株繁殖的四种人工方式示意图，请据图回答下列问题：(1)图中单倍体植株通常的获取方式是_。若图中单倍体细胞含2个染色体组，a有4个染色体组，则过程所用化学试剂的作用是_。(2)图中b和c过程的不同点是_。这种不同主要的决定因素是_。(3)若想在c过程中获得突变体，进而培育成新品种植株，应用物理诱变或化学诱变的方法处理_。(4)若要获得水稻的“人工种子”，则应选用图中的_结构，该结构与正常受精卵形成的_有类似的结构和发育过程。(5)若d过程获得的是胡萝卜羊角芹，过程常用的处理方法有_等；经融合处理后，已经融合的细胞类型有_种(若融合的细胞只考虑两两融合)。答案(1)花药离体培养抑制细胞有丝分裂过程中纺锤体的形成(2)b过程中形成的是胚状体，而c过程中形成的是丛芽细胞分裂素与生长素的比值(3)愈伤组织(4)胚状体胚(5)离心、振动、电激3解析(1)图中a过程表示单倍体育种，获取单倍体时常用花药离体培养的方法。若要使单倍体的染色体数加倍，变成a植株，则需要在过程中用秋水仙素处理幼苗，以抑制细胞有丝分裂过程中纺锤体的形成。(2)图中b和c过程都是体细胞的组织培养，其不同点是b过程中形成的是胚状体，而c过程中形成的是丛芽，这种不同主要的决定因素是细胞分裂素与生长素的比值。(3)在组织培养过程中获得突变体，一般用物理诱变或化学诱变的方法处理愈伤组织，再由愈伤组织经再分化形成突变植株。(4)若要获得水稻的“人工种子”，则应选用图中的胚状体结构，该结构与正常受精卵形成的胚有类似的结构和发育过程。(5)d为植物体细胞杂交获得杂种植株的过程，过程常用的物理方法有离心、振动、电激等；经融合处理后，已经融合的细胞类型有3种(只考虑两两融合)：胡萝卜胡萝卜融合细胞、羊角芹羊角芹融合细胞和胡萝卜羊角芹融合细胞。12.基因工程和植物细胞工程技术在科研和生产实践中有广泛应用，请据图回答下列问题：获取目的基因与载体结合,重组载体,受体细胞筛选,重组体,愈伤组织,胚状体萌发,植物体(1)过程采用最多的是农杆菌转化法，原因是农杆菌中ti质粒上的_可转移到受体细胞并整合到受体细胞的染色体dna上；检测目的基因是否导入受体细胞可用dna分子杂交技术，要用_作探针。(2)图中过程需在无菌条件下进行，培养基中除入营养物质外，还需添加_等物质，作用是_。(3)若要获取转基因植物人工种子，需培养到_阶段，再进行人工种皮的包裹；如用植物细胞实现目的基因所表达的蛋白质类药物的工厂化生产，培养到_阶段即可。(4)若采用植物体细胞杂交技术获得新的植物体，细胞间杂交一般采用_作为诱导剂诱导细胞融合。答案(1)tdna(或可转移的dna)放射性同位素标记的含目的基因的dna片段(2)植物激素(植物生长调节剂)促进细胞分裂、生长、分化(3)胚状体愈伤组织(4)聚乙二醇解析(1)农杆菌中的ti质粒是基因工程中常用的载体，它之所以具有运载作用，是因为ti质粒上有一段可转移的dna片段，即tdna，能够与目的基因一起整合到受体细胞的染色体dna上；在分子水平上检测目的基因是否导入受体细胞可用dna分子杂交技术，要用放射性同位素标记的目的基因作探针，如果出现dna杂交带，则表示目的基因导入了受体细胞。(2)图中过程分别表示植物组织培养过程的脱分化和再分化过程，培养基中必须加入植物激素，以便调节脱分化和再分化的过程，有利于新生植物体的构建。(3)植物组织培养过程在不同的阶段有不同的培养用途，如要获得大量的细胞产物，则培养到愈伤组织阶段即可，如要制备人工种子，则要培养到胚状体阶段。(4)植物体细胞杂交中，细胞间的诱导融合有物理方法和化学方法，化学方法通常用聚乙二醇作为诱导剂。13.下图为几种育种方法示意图，据图回答下列问题：(1)方向所示的途径表示_育种方法，过程所示的育种方法是_。(2)过程常用的方法是_，过程中采用的方法有_(填两项)。(3)过程发生在生物个体发育的_时期。经过的选育，得到具有新基因的种子或幼苗，因此培育出的新品种具有某一优良性状，若要将该性状稳定快速地遗传下去，运用_技术。(4)过程所代表的生物技术涉及两项重要步骤是_、_。假设甲种植物是四倍体，乙种植物是二倍体，则人工种子萌发长成的植物体是几倍体？_。答案(1)杂交多倍体育种(2)花药离体培养秋水仙素处理或低温诱导(3)任何植物组织培养(或微型繁殖)(4)植物细胞融合植物组织培养(异源)六倍体解析(1)据图分析，所示途径为杂交育种，途径为单倍体育种。(2)是花药离体培养过程，阶段是用秋水仙素处理或低温诱导