2022-2023 学年 苏教版 选择性必修三 植物细胞工程的应用 教案

第二节植物细胞工程的应用课程内容标准核心素养对接举例说明植物细胞工程利用快速繁殖、脱毒、次生代谢物生产、育种等方式有效提高了生产效率。社会责任——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。知识点1植物组织培养技术的应用1.人工种子2.快速繁殖3.培育脱毒植物4.种质保存知识点2植物细胞培养技术的应用1.植物细胞代谢产物的工厂化生产2.单倍体育种(1)人工种子的基本结构包括人工种皮和胚状体。(×)(2)通过植物组织培养获得的脱毒植物具有抗病毒的特性。(×)(3)利用茎尖、花药进行组织培养均可培育出脱毒种苗。(√)(4)植物细胞、组织等在超低温保存过程中不会引起遗传性状的改变，也不会丧失形态发生的潜能。(√)(5)单倍体育种的过程就是花药离体培养的过程。(×)(6)培养红豆杉细胞生产紫杉醇利用了细胞的全能性。(×)eq\x(教材P58“旁栏思考题”)1.植物组织培养与传统的无性繁殖相比，有什么优势？提示繁殖周期短，繁殖速度快；繁殖材料用量少，受环境限制少，可工厂化生产，不受季节和恶劣天气的影响；能获得无毒苗木无性系；木本植物应用潜力大；便于种质贮存与交换；可离体繁殖诱变等。eq\x(教材P58“图2－2－3”拓展)2.如图是一种玉米病毒病，会导致玉米的产量和品质大大降低，思考回答下列问题：(1)感染病毒的玉米植株是否存在无病毒的部位？为什么？提示生长点部位(如茎尖)的病毒浓度很低甚至无病毒。因为这些部位没有维管束，病毒难以进入。(2)如何培育出大量的玉米脱毒种苗？提示采用植物茎尖组织培养的方法，便可以大量繁殖脱毒植物种苗。除了利用茎尖外，还可以利用花药培养来实现脱毒。eq\x(教材P61“问题与讨论”)3.花药是雄蕊的重要组成部分，每个花药一般由2～4个花粉囊组成。有人认为，花药经组织培养后形成的幼苗既可能是二倍体幼苗，又可能是单倍体幼苗。试从花药结构的视角，对上述观点加以分析。提示花药离体培养与花粉离体培养是有较大差异的。花药是花的雄性器官，包括花药壁、花粉囊及花粉等，药壁和药隔是二倍体细胞，花粉粒是单倍体细胞。离体培养时，它们都可能参与愈伤组织的形成，故花药经组织培养后形成的幼苗既可能是二倍体幼苗，又可能是单倍体幼苗。探究点一植物组织培养技术的应用1.人工种子(如图)是指将在植物组织培养中得到的胚状体和具有养分的人工胚乳包埋在具有保护功能的人工种皮中，在适宜条件下能够生根发芽的颗粒体。(1)尝试写出人工种子的制备流程：________________________。提示外植体eq\o(→,\s\up7(脱分化))愈伤组织eq\o(→,\s\up7(再分化))胚状体→包裹人工种皮和胚乳→人工种子(2)根据来源不同，胚状体分为体细胞胚和生殖细胞胚，人工种子中的胚状体属于哪种？为什么？提示人工种子中的胚状体属于体细胞胚。体细胞胚一般来源于二倍体植物的体细胞(如根、茎、叶的组织)，可以发育为正常可育的植株，而生殖细胞胚来源于二倍体植物的生殖细胞，发育成的植株是单倍体，弱小且高度不育。(3)从来源和生殖方式角度，思考人工种子与天然种子有什么区别？提示人工种子是以体细胞为外植体利用植物组织培养技术获得的，用人工种子繁殖属于无性繁殖，不发生性状分离；天然种子是植物通过有性生殖获得的，用天然种子繁殖属于有性生殖，子代可能发生性状分离。2.蝴蝶兰是兰花中的极品，具有“兰中之王”的美誉，高贵典雅，花期长，花朵数多，颇受人们喜爱。(1)如何实现蝴蝶兰的快速大量繁殖？提示选取蝴蝶兰植株的幼叶、幼枝等作为外植体，利用植物组织培养技术可实现快速大量繁殖。(2)快速繁殖技术获得的种苗能否保持亲本的优良性状？为什么？提示能。快速繁殖技术获得的种苗的遗传物质与亲本相同，属于无性繁殖，种苗能够保持亲本的优良性状。(3)在长期的无性繁殖中，蝴蝶兰植株容易感染并积累病毒，使得花朵品质变差，如何培育大量的脱毒种苗？并说明原因。提示植物的生长点没有维管束，病毒难以进入，病毒浓度很低甚至无病毒，可采用茎尖组织培养培育大量的脱毒种苗。(4)组织培养获得的愈伤组织、胚状体等在液氮中超低温长期保存仍能保持很高的存活率而再生出新植株，种质保存的原理是什么？提示超低温保存植物材料的原理与保存动物材料的原理一样，在－196℃的条件下，活细胞内的物质代谢和生命活动几乎完全停止，细胞、组织、器官在超低温保存过程中不会引起遗传性状的改变，也不会丧失形态发生的潜能。脱毒苗≠抗毒苗(1)脱毒苗是选择植物的分生区如茎尖(病毒含量极少甚至无病毒)进行组织培养而获得的，属于细胞工程的范畴。脱毒苗只是体内不含病毒，不能抵抗病毒的侵染。(2)抗毒苗是把某抗病毒的基因导入受体细胞中，并通过一定的方法培养形成的，属于基因工程的范畴。[例1](多选)虎头兰的花色泽艳丽、香味素雅，但其种繁殖率低，为尽快推广种植，可应用人工种子技术获得大量优质苗。下列相关叙述正确的是()A.采用茎尖脱分化形成的愈伤组织制备人工种子B.人工胚乳中可添加无机盐、糖类、植物激素、抗生素等C.人工种皮应具有无毒、抗菌、透气等特点D.通过人工种子繁殖，子代能保持亲代优良性状不会发生变异答案BC解析根据人工种子制备过程可知，愈伤组织需再分化形成胚状体，才能制备人工种子，A错误；人工种子繁殖本质上属于无性繁殖，子代能保持亲代优良性状，也可能会发生变异，D错误。[例2](多选)下列有关植物组织培养技术的应用的叙述，正确的是()A.微型繁殖技术是指植物体细胞杂交技术，优点有取材少、培养周期短、繁殖率高等B.种质保存的原理是超低温保存不会改变生物的遗传物质C.人工种皮是由胚状体生成的D.利用植物茎尖或花药进行组织培养均可培育脱毒种苗答案BD解析微型繁殖技术是指植物组织培养技术，A错误；人工种皮是由人工合成的，C错误。探究点二植物细胞培养技术的应用1.紫杉醇是目前已发现的最优秀的天然抗癌药物，在临床上已经广泛应用于乳腺癌、卵巢癌和部分头颈癌和肺癌的治疗，如图是通过植物细胞工程技术工厂化生产紫杉醇的途径。(1)图中①过程为脱分化，该过程需控制好培养基中植物激素(或生长素和细胞分裂素)的比例。(2)②过程为将愈伤组织分散成单个细胞，同时需要筛选出高产紫杉醇的细胞。(3)③过程为植物细胞培养，其所依据的原理是细胞增殖。(4)生产紫杉醇的过程能否体现植物细胞的全能性？说出你的理由。提示不能。获得紫杉醇的过程中离体的外植体并未发育成完整个体或分化成其他各种细胞，故并未体现细胞的全能性。2.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。请完善单倍体育种的流程并回答下列问题：(1)花药中的花粉粒含有精子，通过花药离体培养获得了单倍体幼苗，说明植物的精子(生殖细胞)具有细胞全能性。(2)若图中亲本基因型为AaBb，则单倍体幼苗的基因型为AB、Ab、aB、ab。(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，使染色体不能移向细胞的两极，从而使染色体数目加倍。植物组织培养与植物细胞培养的区别单倍体育种≠花药离体培养单倍体育种一般包括花药离体培养、人工诱导染色体数目加倍和筛选等过程，其遵循的遗传学原理是染色体数目变异，目的是培育具有优良性状的二倍体纯种。花药离体培养只是单倍体育种的一个环节，其实质上是植物组织培养，包括脱分化和再分化等过程，其遵循的原理是植物细胞的全能性，培育的是单倍体幼苗。[例3]紫草宁是紫草细胞的代谢产物，可作为消炎药物的原料。研究人员欲用植物组织培养技术通过培养紫草细胞生产紫草宁，下列相关操作不合理的是()A.对作为外植体的紫草叶片进行消毒处理既可保证细胞活性也可减少污染B.培养基中要加入植物激素保证已分化的植物细胞脱分化形成愈伤组织C.调整植物激素的种类和比例以保证愈伤组织再分化并得到完整的植株D.在培养细胞的过程中要不断通入无菌空气以保证氧气的充足供应答案C解析植物细胞培养需要无菌、无毒的条件，对作为外植体的紫草叶片进行消毒处理既可保证细胞活性也可减少污染；决定植物脱分化和再分化的关键因素是植物激素的种类和比例，培养基中加入植物激素可以保证已分化的植物细胞脱分化形成愈伤组织；培养紫草细胞的目的是获得细胞代谢产物，而不是完整植株，培养到愈伤组织阶段即可；在培养细胞的过程中要不断通入无菌空气以保证氧气的充足供应。[例4]利用麦冬花药进行离体培养可为后期基因改良及新品种选育提供材料，操作流程如图。下列叙述不正确的是()eq\x(麦冬花药)eq\o(→,\s\up7(①))eq\x(X)eq\o(→,\s\up7(②))eq\x(胚状体)eq\o(→,\s\up7(炼苗),\s\do5(移栽))eq\x(Y)A.图中X和Y分别表示愈伤组织和单倍体幼苗B.需要对麦冬花药、培养基及操作工具进行灭菌处理C.图中①和②过程所用培养基中激素用量的比例不同D.麦冬花药离体培养的过程体现了生殖细胞具有全能性答案B解析图中X和Y分别表示愈伤组织和单倍体幼苗，A正确；需要对培养基及操作工具进行灭菌处理，但不能对麦冬花药进行灭菌处理，B错误；图中①和②过程所用培养基中激素用量的比例不同，C正确；麦冬花药离体培养的过程体现了生殖细胞具有全能性，D正确。思维导图晨读必背1.快速繁殖实际上是一种无性繁殖，可以保持亲本的优良遗传特性。2.人工种子包括人工种皮、胚状体、人工胚乳等结构，其中胚状体是通过组织培养获得的。3.植物生长点部位的病毒浓度很低甚至无病毒，是培育脱毒种苗的理想外植体。4.种质库是主要用来保存种质资源的保存设施。5.生产紫杉醇利用了植物细胞培养技术，其原理是细胞增殖。6.花药离体培养既可获得单倍体幼苗，也可能获得二倍体幼苗。随堂检测1.(多选)某生物兴趣小组利用植物组织培养技术培育一种名贵花卉，流程图如下所示。下列有关叙述不正确的是()二倍体植株的花粉粒eq\o(→,\s\up7(脱分化))愈伤组织eq\o(→,\s\up7(再分化))幼苗eq\o(→,\s\up7(秋水仙素))植株A.利用花粉粒组织培养培育的幼苗是正常可育的脱毒种苗B.用人工种皮将愈伤组织包装，可制成人工种子C.若花粉粒中有两个染色体组，则幼苗为二倍体D.该过程培育的完整植株都是纯合子，基因型相同答案ABCD解析利用花粉粒组织培养培育的幼苗是单倍体幼苗，不具有可育性，A错误；用人工种皮将胚状体包装，可制成人工种子，B错误；若花粉粒中有两个染色体组，则幼苗为含有2个染色体组的单倍体，C错误；由于花粉粒中的生殖细胞是经过减数分裂而来的，因此该过程培育的完整植株的基因型不一定相同，D错误。2.下列有关植物细胞工程应用的分析，错误的是()A.愈伤组织细胞分裂旺盛，经诱变处理，易获得突变个体B.利用茎尖进行组织培养，可以获得脱毒苗C.利用同一株绿色开花植物不同部位的细胞，经培养获得的愈伤组织基因型完全相同D.利用植物细胞培养技术工业化生产人参皂苷，提高产量答案C解析愈伤组织细胞分裂旺盛，经诱变处理，易获得突变个体，A正确；茎尖几乎不含病毒，因此利用茎尖进行组织培养，可以获得脱毒苗，B正确；同一绿色开花植物不同部位的细胞，经培养获得的愈伤组织基因型不一定相同，如花粉细胞培养形成的愈伤组织细胞的细胞核中的基因只有体细胞的一半，C错误；可利用植物细胞培养技术工业化生产人参皂苷，提高产量，D正确。3.紫杉醇是一种高效抗癌的药物。国内某团队研究光照条件对红豆杉愈伤组织生长和紫杉醇含量的影响，实验结果如表：光照条件接种干重/(g·L－1)收获干重/(g·L－1)紫杉醇含量/%(干重)光照4.339.130.0070黑暗4.3812.100.0164下列叙述正确的是()A.愈伤组织生长的原理是植物细胞具有全能性B.愈伤组织培养过程要在无菌条件下进行C.光照能促进愈伤组织的生长并提高紫杉醇含量D.培养基中的有机物仅能为愈伤组织提供能量答案B解析愈伤组织生长的原理是细胞增殖，A错误；愈伤组织培养过程要在无菌条件下进行，B正确；光照会抑制愈伤组织的形成，C错误；培养基中的有机物能为愈伤组织提供能量和营养，D错误。4.我国植物学家将名贵兰花的茎尖细胞放在培养基中进行培养，最终发育成完整的新植株。如图是细胞培养形成兰花植株的示意图，请据图分析并回答问题：(1)过程③和过程④分别表示植物组织培养过程中的________和________。(2)在培养过程中，除了提供水分、无机盐、糖类、维生素及氨基酸外，还需要在培养基中加入________________两种激素。兰花茎尖细胞经过植物组织培养后形成完整兰花植株的技术原理是________________________________。(3)在植物组织培养的过程中，可以对________________进行化学或物理的诱变处理，促使其发生突变，再通过诱导分化形成植株，从中选育出优良品种。这种作物新品种的培育方法属于________________。(4)若将兰花的茎尖细胞换成兰花的花粉粒，经组织培养形成植株，经过染色体加倍后长成可育植物。这种育种方法称为________________，其优点有_____________________________________________________________。答案(1)脱分化再分化(2)生长素和细胞分裂素植物细胞的全能性(3)愈伤组织突变体的利用(或诱变育种)(4)单倍体育种极大地缩短育种年限，节