2.1.2　植物细胞工程的实际应用

2.1.2植物细胞工程的实际应用,科学家从悬浮培养的单细胞、离体花粉或胚囊中，通过植物组织培养技术获得胚状结构(胚状体)，胚状体不同于一般的种子胚，是由非合子细胞分化形成的类似于胚的结构物，所以，又称“体细胞胚”或“花粉胚”。胚状体在一定的条件下，可以通过个体发育过程形成植株。将其包埋在一个能提供营养的胶质中，外面包裹上人造种皮，便制成了“人工种子”。人工种子的概念是1978年在加拿大举行的第四届国际植物组织、细胞培养会议上首次提出来的。目前，我国科学家利,用植物组织培养技术已在烟草、水稻、小麦和玉米等植物上成功诱导出胚状体，而美、日、法等各国正着手将人工种子市场化、商品化。请思考：1.人工种子利用的原理是什么？2.人工种子与天然种子相比，有什么突出的优点？,1了解植物繁殖的新途径及原理。(重、难点)2正确区别人工种子与自然状态下的种子。(重点)3了解作物新品种培育的方法和原理。,一、植物繁殖的新途径,1.微型繁殖,特点,(1)保持优良品种的_。(2)_地实现种苗的大量繁殖。,实例：利用_技术培育兰花,2.作物脱毒,材料：植物的_(如_、_)优点：_实例：脱毒马铃薯的培育,遗传特性,高效快速,组织培养,分生区,茎尖,芽尖,提高作物产量和品质,3.人工种子,概念：以植物组织培养得到的_、_等为材料，经_包装得到的种子特点,(1)后代_。(2)不受_限制。,胚状体,不,定芽、顶芽和腋芽,人工,薄膜,无性状分离,气候、季节和地域,【点拨】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。抗毒苗：是把某抗病基因导入到受体细胞中，并通过一定的方法培养形成的，属于基因工程的范畴。,二、作物新品种的培育1单倍体育种(以二倍体植物为例)(1)方法：_。(2)过程：花药_植株_植株。(3)优点：后代是纯合子，能_。明显_了育种年限。,离体培养,人工诱导染色体加倍,花药的离体培养,单倍体,纯合子,稳定遗传,缩短,2.突变体的产生、利用和实例(1)产生：在植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断的_状态而易受培养条件和外界压力(如射线、化学物质等)的影响而产生_。(2)利用：从产生突变的个体中筛选出对人们有用的_，进而培育成新品种。(3)实例：抗_的甘蔗，抗_的野生烟草、抗_的白三叶草等。,分生,突变,突变体,花叶病毒,盐碱,除草剂,【判断】(1)单倍体育种的目的是获得单倍体本身。()【分析】单倍体育种的目的不是获得单倍体本身，因为单倍体是高度不育的，生产上没有实际价值，需诱导单倍体(种子阶段或幼苗阶段)的染色体加倍。(2)突变体育种的原理是基因突变。()【分析】植物组织培养过程中，培养细胞产生基因突变。突变体育种就是筛选出对人们有用的突变体，培育成新品种。,三、细胞产物的工厂化生产1.种类：蛋白质、脂肪、糖类、_、_、生物碱等2.技术：_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,药物,香料,植物组织培养,【思考】细胞产物的生产是将植物细胞培养到什么环节？提示：愈伤组织。,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：病毒是寄生性生物，在用种子繁殖或用植物根、茎无性繁殖过程中，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，植物的分生组织细胞中一般是不含病毒的。如果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)组成：由胚状体、人工种皮两部分组成(有的资料上把人工种皮再细分为人工种皮和人工胚乳两部分)。如图：,(2)人工种皮的要求：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；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；还应含有农药和杀菌剂，以防播种后害虫及微生物的侵害；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。(3)制作人工种皮的材料：海藻酸钠、明胶、树脂、琼脂糖、淀粉等。,(4)胚状体的要求：播种后能快速出苗；根和芽同步生长，活力强；形成的幼苗的形态与生长要正常。(5)人工种子的优点：解决了天然种子在遗传上由于减数分裂引起的重组现象造成的某些遗传性状的改变或繁殖能力差、结子困难等问题。实现种子的工厂化生产，克服天然种子在生产上受季节限制的问题，提高农业的自动化程度。,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。用人工种子播种可以大大节约粮食。,【警示钟】微型繁殖实际是一种无性繁殖，繁殖过程中细胞的分裂方式是有丝分裂，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。培育脱毒苗选择植物分生区附近的细胞是因为这部分细胞繁殖十分迅速，病毒来不及侵入，因此就成为相对无病毒的特殊区域。,【典例训练1】科学家从悬浮培养的单细胞、离体花粉或胚囊中，通过植物组织培养技术获得胚状结构(胚状体)，胚状体不同于一般的种子胚，它是由非合子细胞分化形成的类似于胚的结构物，所以，又称“体细胞胚”或“花粉胚”。胚状体在一定的条件下，可以通过个体发育过程形成植株。将其包埋在一个能提供营养的胶质中，外面包裹上人造种皮，便制成了“人工种子”。目前，我国科学家利用植物组织培养技术已在烟草、水稻、小麦和玉米等植物上成功诱导出胚状体，而美、日、法等各国正着手将人工种子市场化、商品化。,(1)简要归纳“离体的细胞”进行植物组织培养获得胚状体的过程：_。(2)“人工种子”大体由胚状体、包埋胚状体的胶质以及人造种皮三部分组成。包埋胚状体的胶质相当于自然种子中的_，其中富含营养物质，这是因为_。为了满足胚状体代谢的需求，“人造种皮”还必须具有良好的_性能。(3)由“人工种子”萌发出的植株是否可育?_。(4)写出“人工种子”商品化的意义(两项)：_。,(5)培育胚状体利用了_这一项生物技术。在该过程中培养基中需要添加_和_两种激素，还需要对培养基进行严格的_。(6)利用“人工种子”繁殖后代属于_。(7)该项技术的成功应用，反映了细胞的_性。【解题指南】本题可从分析植物组织培养的操作过程出发，分析胚状体的形成过程。另外对人工种子种皮成分的分析和理解也是本题的解题关键。,【解析】本题主要考查植物组织培养的应用。(1)(4)胚状体一般是利用愈伤组织分化形成的。利用胚状体制“人工种子”时，需包裹上“人造种皮”、胶质等，为了满足胚状体代谢的需求，“人造种皮”则必须具有良好的透水、透气性能，以利于胚状体吸收水分和氧气。包埋胚状体的胶质相当于自然种子中的胚乳或子叶，富含营养物质，能为胚状体的发育提供营养物质。一般来说，对于二倍体植物，若植株由花粉培养发育，一般不可育；若由体细胞经组织培养发育的，则是可育的。,“人工种子”的培养，可用于苗木的快速繁育，无病毒植株培养，解决有些作物繁殖力差、结子困难或发芽率低等问题。(5)(7)培育胚状体利用了植物组织培养这一项生物技术。在该过程中培养基中需要添加生长素和细胞分裂素两种激素，它们对培养分化的方向具有决定性作用。另外，还需要对培养基进行严格的灭菌，防止杂菌感染。由于“人工种子”只能获得一个亲本的性状，因此，利用“人工种子”繁殖后代属于无性繁殖。该项技术的成功应用，反映了细胞的全能性。,答案：(1)离体的细胞愈伤组织胚状体(2)胚乳或子叶胚状体在萌发初期不能进行光合作用透水、透气(3)由花粉培养发育的植株一般不可育，由体细胞经组织培养发育的植株是可育的(4)可用于苗木的快速繁育、无病毒植株培养、解决有些作物繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题(回答其中的两项)(5)植物组织培养生长素细胞分裂素灭菌(6)无性繁殖(7)全能,脱分化,再分化,【互动探究】(1)利用“人工种子”繁殖后代属于什么繁殖？提示：无性繁殖。(2)为防治土壤中病菌和病虫的侵害，制作人工种子时可在包埋胚状体的胶质中加入什么物质？提示：可加入抗生素和农药来防治土壤中病菌、病虫的侵害。,二、作物新品种的培育1.单倍体育种(1)过程：花药离体培养(对花粉进行组织培养)秋水仙素处理(幼苗期)获得性状稳定遗传的植株。(2)优点：单倍体经过染色体加倍，获得的后代为纯合子，可明显缩短育种年限(一般为2年)。,用单倍体作为转基因的受体，获得的转基因材料经染色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。(3)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.体细胞诱变育种(1)过程：,新品种,外植体,愈伤组织,诱变处理,突变体,诱导分化,(2)原理：基因突变和植物细胞的全能性。(3)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。(4)缺点：突变不定向，需要处理大量突变材料。突变少利多害，符合人们需要、有利的品种比较少。,3突变体的利用植物组织培养过程中，培养细胞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产生突变。从这些产生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。,4.单倍体育种、基因工程育种和植物细胞工程育种的比较,【警示钟】单倍体育种和多倍体育种均需要用秋水仙素诱导染色体数目加倍。单倍体育种需要植物组织培养先形成单倍体幼苗，但多倍体育种一般不使用植物组织培养技术。,【典例训练2】如图所示为植株繁殖的四种人工方式示意图，请据图回答：,(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为胡萝卜-羊角芹，过程常用的物理方法有_等；经融合处理后，含有的细胞类型有_种(若融合的细胞只考虑两两融合)。【解题指南】解答本题应注意以下几点：(1)明确植物组织培养的过程；(2)明确愈伤组织和胚状体的重要应用。,【解析】本题主要考查植物细胞工程的原理和应用。(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过程。(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过程形成的是胚芽，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，含有的细胞类型有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。,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过程形成的是胚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3,1利用植物组织培养技术能大幅度提高粮食产量的原因是()A.改变了作物品种B.培养周期短、繁殖率高C.无性繁殖，保持了亲本性状D.有利于提高光合效率【解析】选B。植物组织培养技术之所以能提高粮食产量不是因为是无性繁殖，是因为培养周期短，繁殖率高，通过无性繁殖，细胞进行的是有丝分裂，一般不改变作物品种的遗传特性。,2下列各项中需要利用植物的微型繁殖技术的是()A.兰花的茎尖组织培养成兰花的幼苗B.水稻种子萌发并长成新个体C.扦插的葡萄枝条长成新个体D.柳树芽发育成枝条【解析】选A。植物的组织培养被人们形象地称为微型繁殖技术。种子长成个体是自然条件下的有性繁殖过程，扦插、芽的萌发属于自然条件下无性繁殖和自然生长，均不是组织培养。,3对人工种子正确的解释是()A通过科学手段人工合成的种子B利用植物组织培养技术获得的种子C种皮能自我生成的种子D人工种子发芽率低【解析】选B。人工种子就是以通过植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子，该种子在适宜条件下同样能萌发长成幼苗，因此人工种子的发芽率并不低。,4马铃薯利用它的块茎进行无性繁殖，种植的世代多了以后往往会因感染病毒而减产，为此农户都希望得到无病毒的幼苗进行种植。获得无病毒幼苗的最佳方法是()A选择优良品种进行杂交B进行远缘植物体细胞杂交C利用芽体进行组织培养D人工诱导基因突变,【解析】选C。无性繁殖的生物，感染病毒后很容易传播给后代，病毒在生物体内积累就会导致作物产量降低，品质变差。科学研究发现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或芽体进行组织培养，再生植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒植株。,5.下列属于组织培养的是()A.花粉培养成单倍体植株B.芽发育成枝条C.根尖分生区发育成成熟区D.未受精卵发育成植株,【解析】选A。植物组织培养的过程简要概括为：离体的植物器官、组织或细胞经脱分化形成愈伤组织，经再分化形成根、茎、芽等器官，并进一步培养出完整的植株。花粉离体培养是组织培养的新技术，花粉细胞具有全能性；芽发育成枝条、根尖分生区发育成成熟区是正常的生长过程，未受精卵发育成植株是单性生殖。,6人参皂甙干粉工厂化生产，下列哪种技术是必需的()A杂交育种B植物组织培养C多倍体育种D单倍体育种【解析】选B。对人参皂甙干粉进行工厂化生产，必须先通过植物组织培养获得人参皂甙含量高的细胞株，然后进行大规模发酵生产。,7在花卉培育过程中，如果所需的某种花卉感染了植物病毒，欲快速培育出大量无病毒的植株，应采取的方法是()A.用带毒植株的种子培养后代B.用带毒植株中无明显症状部分的枝条进行扦插C.用带毒植株的茎尖进行组织培养，诱导出植株D.用叶表皮细胞进行组织培养，诱导出植株【解析】选C。带毒植株的茎尖和根尖一般不含有病毒，可以作为组织培养的材料，植物组织培养因取材少、培养周期短、繁殖率高、便于自动化管理而适合快速繁殖出无病毒植物和转基因植物等。,8请根据以下材料回答：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，它能像天然种子一样萌发生长。人工种子的核心部分是被外层物包埋的具有类似种子胚功能的胚状体。胚状体不同于一般种子的胚，是由非合子细胞分化形成的