1、12.1.2 植物细胞工程的实际应用学习目标 1.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。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
2、们进入本节的学习，一起来了解吧！方式二 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21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Error!2作物脱毒(1)选材部位：无病毒的植物分生区附近的部位。(2)优
3、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)概念：以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。(2)优点繁殖周期短。后代不发生性状分离，能够保持亲本的优良性状。不受季节、气候和地域的限制，并可节约土地。归纳总结 关于人工种子(1)各部分的功能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。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。(2)制备流程：诱导植物愈伤组织的形成体细胞胚的诱导体细胞胚的成熟机械化包装储藏或种植。(3)两个误区
4、人工种子不是有性生殖，而是无性繁殖，可以完全保持优良品种的遗传特性。人工种子萌发的植株不一定都可育，茎尖、芽尖、花粉等细胞都可以培育成胚状体，制作人工种子，若是用花粉发育来的胚状体制备人工种子，则其萌发的植株一般不可育。例 1 如图为培育甘蔗脱毒苗的两条途径，研究发现经过程获得的幼苗脱毒效果更好。下列相关叙述错误的是( )3A过程所取茎尖中的叶原基具有较高的分裂、分化能力B过程的作用可能是阻碍病毒等进入茎尖分生组织C过程中基因的选择性表达导致了细胞脱分化D培养基 A、B 中生长素和细胞分裂素的含量和比例不同答案 C解析 过程中基因的选择性表达导致了细胞再分化，C 错误。例 2 某种极具观赏价值
5、的兰科珍稀花卉很难获得成熟种子。为尽快推广种植，可应用多种技术获得大量优质苗，下列技术中不能选用的是( )A利用茎段扦插诱导生根技术快速育苗B采用花粉粒组织培养获得单倍体苗C采集幼芽嫁接到合适的其他种类植物体上D采用幼叶、茎尖等部位的组织进行组织培养答案 B解析 为了使优质苗的生物性状不发生性状分离，可采用茎段扦插诱导生根技术快速育苗，也可采用将幼芽嫁接到合适的其他种类植物体上的方法或用茎尖、幼叶等部位的组织进行植物组织培养获得大量优质苗；花粉粒是减数分裂的产物，利用花粉粒离体培养得到的是单倍体苗，其高度不育，且会发生性状分离，因此 B 项方案不能选用。二、作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生
6、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。 离 体 培 养 人 工 诱 导 染 色 体 加 倍(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(由突变细胞培育得到突变体植株)。4(2)过程(3)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。(4)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
7、术：植物组织培养技术。(3)过程外 植 体 脱 分 化 愈 伤 组 织 分 散 开 细 胞 悬 液 发 酵 提 取 细 胞 产 物(4)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。归纳总结1植物组织培养与植物细胞培养的比较项目 植物组织培养 植物细胞培养目的 获得植物体 获得细胞产物过程实例 获得脱毒苗 人参皂甙的生产2.几种育种方法的比较项目 原理 优点 缺点 成果植物体细胞杂交细胞的全能性和细胞膜的流动性能克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍，扩大了可用于杂交的亲本组合的范围不能让杂种植株完全按照人们的要求表现出亲代的性状烟草海岛烟草、胡萝卜羊角芹、白菜甘蓝等单倍体育种染色体变异
8、和细胞全能一般情况下，所得品种能稳定遗传，技术复杂，操作困难单育 1 号烟草品种、中花 8 号水5性 明显缩短育种年限 稻、中花 11 号水稻和京花 1 号小麦等体细胞诱变育种基因突变和植物细胞的全能性可产生新基因，大幅度改良某些性状基因突变具有不定向性和多害少利性，需要处理大量的突变材料，才能筛选出目标品种抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的野生烟草等基因工程育种基因重组目的性强，育种周期短，打破了物种界限，可以定向改造生物的遗传性状技术复杂，转基因生物及其产物具有一定的安全隐患抗虫棉、产人胰岛素的大肠杆菌等例 3 下图是利用某植物(基因型为 AaBb)产生的花粉进行单倍体育种的示意图，据图判断下列说
9、法错误的是( )花粉 植株 A 植株 B A过程通常使用的试剂是秋水仙素，作用时期为有丝分裂前期B通过过程得到的植株既有纯合子又有杂合子C过程属于植物的组织培养，在此过程中必须使用一定量的植物激素D与杂交育种相比，该育种方法的优点是能明显缩短育种年限答案 B解析 该过程是单倍体育种过程，所以过程是花药离体培养，获得的是单倍体，基因型为AB、Ab、aB、ab 4 种，经染色体加倍后的植株 B 都为纯合子；过程使用秋水仙素使染色体数目加倍，作用的机理是抑制有丝分裂前期纺锤体的形成，到后期染色单体分开后不能向细胞两极移动；过程属于植物的组织培养，需要生长素和细胞分裂素的诱导。例 4 下列生物工程技术
10、的实际应用过程中，能形成愈伤组织的是( )作物脱毒 细胞产物的工厂化生产 生产人工种子 转基因植物的培养A BC D答案 D解析 作物脱毒、细胞产物的工厂化生产、生产人工种子都是植物细胞工程的实际应用，其技术基础是植物的组织培养技术，都有脱分化形成愈伤组织的过程。转基因植物的培养利用的是基因工程技术和植物组织培养技术，该过程中也要形成愈伤组织。6植物细胞工程的实际应用Error!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人工种子是以植物组织培养得到的胚状体、
11、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。下列与人工种子的形成过程无关的是( )A细胞的脱分化和再分化B细胞全能性C细胞的有丝分裂D细胞的减数分裂答案 D解析 人工种子的获得应用了植物组织培养技术，该技术不涉及细胞的减数分裂。3下列属于植物细胞工程实际应用实例的是( )制造人工种子 培育抗盐植物 培育抗病毒烟草 培育单倍体 生产脱毒植株A BC D答案 C解析 培育抗病毒烟草是转基因技术的应用。4下列生物技术的应用实例中，运用的原理与其他各项不同的是( )A利用生物反应器悬浮培养人参细胞，提取人参皂甙B利用花药离体培养获取植物单倍体植株C将转入贮存蛋白基因的向日葵细胞培育成植株D
12、通过植物组织培养获得人工种子并发育成植株答案 A解析 利用生物反应器提取人参皂甙，其原理是植物细胞培养，单倍体育种、转基因育种和人工种子利用的原理是植物细胞的全能性，则 A 项利用的原理与其他选项不同。5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，7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
13、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的植株，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，所以可看作种皮及胚乳或子叶。(3)使
14、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。对点训练题组一 植物繁殖的新途径1下列属于植物的微型繁殖技术的是( )8A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 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；扦插的葡萄枝长成新个体属于无性生殖中的营养生殖。2胚状体是在植物组织培养的哪一阶段上获得的( )A愈伤组织的形成中 B再分化C形成完整植株 D脱分化
15、答案 B解析 植物体的根、茎、叶细胞一般都具有全能性，在一定的营养和激素条件下，可以脱分化形成愈伤组织。将愈伤组织转接到含有不同激素成分的培养基上，就可以诱导其再分化生成胚状体或丛芽，所以胚状体是在植物组织培养的再分化阶段形成的。3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实的植物得以繁殖B方便储藏和运输C可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
16、子的种皮，因此，可以很方便地储藏和运输；人工种子是经组织培养获得的，与提供组织细胞的亲代的遗传特性相同；人工种子的生产则不受季节限制，可快速、大量繁殖。4下列哪一项不是植物繁殖的新途径( )A微型繁殖 B细胞核移植C人工种子 D作物脱毒答案 B解析 植物组织培养是指利用特定的培养基将离体的植物细胞、组织或器官培养成完整植株的过程。花药的离体培养、基因工程中的受体细胞的培养、植物体细胞杂交后杂种细胞的培养以及植物的大量快速繁殖都要用到植物组织培养技术，植物繁殖的新途径包括微型繁殖、作物脱毒、人工种子，而细胞核移植不是植物繁殖的新途径。题组二 作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产95下列哪一项不
17、是单倍体育种的优点( )A缩短育种年限 B得到稳定遗传的优良品种C突变率高 D节约人力、物力答案 C解析 由于单倍体育种通过染色体加倍后当年就可获得纯合的、能稳定遗传的正常植株，所以缩短了育种年限，节约了人力和物力。6用纯种的高秆(D)抗锈病(T)小麦与矮秆(d)易染锈病(t)小麦培育矮秆抗锈病小麦新品种的方法如下：下列有关此种育种方法的叙述，正确的是( )A这种育种方法叫杂交育种B过程必须使用生长素处理C这种方法的最大优点是缩短育种年限D过程必须经过受精作用答案 C解析 该育种方法为单倍体育种，可大大缩短育种年限，是杂交，是减数分裂；是花药离体培养，是用秋水仙素处理使单倍体的染色体数目加倍。
18、过程利用了植物组织培养技术，不需要受精，而是由雄配子直接发育成幼苗。7下图为利用体细胞诱变育种技术获得抗除草剂白三叶草新品种的过程。下列叙述不正确的是( )A该育种过程依据的原理有基因突变和植物细胞具有全能性B过程培养基中，不同植物生长调节剂的浓度比例不同C白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中 DNA 和 RNA 种类相同D过程通常采用的筛选方法是向白三叶草幼苗喷洒除草剂答案 C解析 白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中 DNA 种类相同，因为基因的选择性表达，RNA 和蛋白质的种类是有差异的。108下列关于细胞产物的工厂化生产的叙述中，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
19、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。综合强化9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，其获得途径如图所示。下列叙述错误的是( )A图中愈伤组织、脱毒苗和高产细胞系的获得都体现了植物细胞的全能性B图中和分别表示辣椒组织培养中细胞的脱分化和再分化过程C过程中需要用适宜配比的生长素和细胞分裂素溶液处理D用酶解法将愈伤组织
20、分离成单细胞时，常用的酶是纤维素酶和果胶酶答案 A解析 细胞的全能性是指已经分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能，图中脱毒苗的获得体现了植物细胞的全能性，愈伤组织和高产细胞系的获得都没有体现植物细胞的全能性，A错误；图中和分别表示辣椒组织培养中细胞的脱分化和再分化过程，B 正确；再分化过程中需要用适宜配比的生长素和细胞分裂素溶液处理，以诱导细胞分化的方向，C 正确；用酶解法将愈伤组织分离成单细胞时，常用的酶是纤维素酶和果胶酶，以分解植物细胞之间的成分，D 正确。10下图表示利用高秆抗锈病玉米(基因型为 AaBb，两对基因独立遗传)的花粉细胞生产人工种子的过程。下列叙述不正确的是( )A通过过程
21、两两融合得到的细胞基因型有 9 种B过程培养基中植物激素的配比不同C过程需用秋水仙素处理才能获得可育的人工种子D人工种子的种皮中加入植物生长调节剂可促进丛芽的发育11答案 C解析 根据自由组合定律，亲代产生 4 种基因型的花粉(AB、Ab、aB、ab)，2 粒花粉细胞融合(类似于 AaBb 个体自交)可产生 9 种基因型的融合细胞；图中分别代表植物组织培养的脱分化和再分化阶段，这两个阶段目的不同，培养基中生长素、细胞分裂素的含量和比例不同；融合细胞中染色体组与正常植株相同，过程直接培育的人工种子是可育的；人工种子的种皮中加入植物生长调节剂可促进丛芽的发育。11培育农作物新品种的过程中，常利用植
22、物组织培养技术。下列叙述正确的是( )A培育转基因的外植体得到的新个体属于基因突变个体B在植物组织培养过程中用理化因素诱导可获得大量有益突变体C单倍体育种中经减数分裂和组织培养两个过程能获得纯合二倍体D在培养基中加入不同浓度的氯化钠溶液，可筛选出抗盐植株答案 D解析 培育转基因的外植体得到的新个体属于转基因植物；基因突变是不定向的，在植物组织培养过程中用理化因素诱导不一定获得大量有益突变体；单倍体育种中经组织培养和秋水仙素处理这两个过程才能获得纯合二倍体。12下列有关植物细胞工程应用的叙述，不正确的是( )A利用组织培养技术培育脱毒苗，获得具有抗病毒的新品种B利用组织培养技术获得人工种子，能保
23、持亲本的优良性状C利用细胞培养技术获得紫草素，实现了细胞产物的工厂化生产D利用植物体细胞杂交技术获得“白菜甘蓝” ，克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍答案 A解析 脱毒苗是用含病毒极少、甚至无病毒的茎尖等植物分生组织培养而成的，再生的植株可能不带病毒，但并非它具备了抗病毒的能力。13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有 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_。12(2)图中 B 和 C 过程的不同点是_，这种不同的主要决定因素是_。(3)若想在 C 过程中获得突变体，进而培育成新品种
24、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，过程常用的物理方法有_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目加倍
25、，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，这种不同的主要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
26、3 种(只考虑细胞的两两融合)：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。14(2014江苏，29 节选)为了获得植物次生代谢产物，先用植物外植体获得愈伤组织，然后在液体培养基中悬浮培养。请回答下列问题：(1)外植体经诱导后形成愈伤组织的过程称为_。(2)在愈伤组织悬浮培养时，细胞干重、蔗糖浓度和 pH 的变化如下图所示。细胞干重在 12 d 后下降的原因有_；培养液中蔗糖的作用是_、_。(3)多倍体愈伤组织细胞产生的次生代谢产物量常高于二倍体。二倍体愈伤组织细胞经_处理，会产生染色体加倍的细胞。为检测愈伤组织细胞染色体数目，压片13前常用纤维素酶和_酶解离愈伤组织。若
27、愈伤组织细胞(2 n)经诱导处理后，观察到染色体数为 8n 的细胞，合理的解释是_、_。答案 (1)脱分化 (2)蔗糖浓度下降，pH 降低 提供能源 调节渗透压 (3)秋水仙素(低温) 果胶 经加倍到 4n 的细胞处于有丝分裂后期 经加倍到 8n 的细胞处于有丝分裂中期解析 (1)外植体经诱导形成愈伤组织的过程称为脱分化。(2)观察图示可知，12 d 后蔗糖浓度和 pH 都下降到较低水平，影响能量的供应和酶的活性，导致细胞干重下降。除提供能量外，培养液中的蔗糖还具有调节渗透压的作用。(3)在细胞分裂过程中，用低温或秋水仙素处理，都可抑制纺锤体的形成，使子染色体不能移向两极，从而使细胞中染色体数
28、目加倍。愈伤组织的细胞之间含有纤维素和果胶，欲将其分散成单个细胞，压片前需用纤维素酶和果胶酶处理。愈伤组织细胞经诱导处理后，有的细胞染色体数目加倍(4 n)，有的细胞染色体数目未加倍(2 n)，也可能有的细胞在连续分裂中每次都因低温或秋水仙素抑制了纺锤体的形成，导致细胞中染色体数目连续加倍，出现染色体数目为 8n 的细胞。所以染色体数目加倍到 4n 的细胞处于有丝分裂后期时染色体数目为8n，染色体数目加倍到 8n 的细胞处于有丝分裂中期时染色体数目也为 8n。15红豆杉是濒危植物，其树皮产生的紫杉醇对癌症有一定的疗效。下图是红豆杉植株组织培养和细胞培养的流程图，请据图回答下列问题：(1)图中为
29、愈伤组织，通过 B 过程可最终产生新的植株，通过 C 过程可产生大量细胞，则图中 A、B、C 分别表示的过程为_。其中 B 过程的实质是_。(2)对的培养一般要采用_培养基，并要不断通入无菌空气并进行搅拌，其目的是_。(3)对的培养可获得代谢产物紫杉醇，但培养后期紫杉醇产量下降，其原因包括_等。(4)若是红豆杉(基因型为 DdTt)的花药，可选用_(填编号)制成人工种子，该“种子”萌发的幼苗用_处理，可快速获得纯种植株，该植株的基因型为_。答案 (1)脱分化、再分化、有丝分裂 基因的选择性表达 (2)液体 保证氧气的供应、使细胞和培养液充分接触 (3)活细胞数量减少，某些代谢产物积累 (4)
30、秋水仙素 DDTT、DDtt、ddTT、ddtt解析 (1)图中为红豆杉离体的植物器官、组织或细胞(外植体)，为愈伤组织，为试管苗(胚状体), 为植物体，为大量的红豆杉细胞；再分化的实质是细胞内基因的选择性表达。(2)对的培养目的是快速增殖细胞，一般采用液体培养基进行培养。在培养过程中14通入空气是为了保证细胞生长过程中氧气的供应，不断搅拌的目的是让细胞和培养液充分接触。(3)培养的后期，由于细胞代谢产物的积累，以及营养物质的消耗等，导致细胞数量减少，其代谢产物减少。(4)红豆杉的花药经培养可获得单倍体，再经秋水仙素处理，可使染色体数目加倍，快速获得纯种植株。如果亲本的基因型为 DdTt，则获得纯种植株的基因型有 DDTT、DDtt、ddTT、ddtt 四种。
