新教材2023版高中生物第2章细胞工程第1节植物细胞工程第2课时植物细胞工程的应用学生用书新人教版选择性必修3

第2课时植物细胞工程的应用课堂互动探究案课程标准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。素养达成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。(社会责任)设疑激趣在花卉园的一角，一片傲霜怒放、婀娜多姿的菊花吸引了参观者的目光。同时，人们也对菊花前面的展牌内容产生了浓厚的兴趣。原来这些菊花是科学工作者利用优良品种的花瓣，通过植物细胞工程的组织培养技术培育出的“试管菊花”。夯基提能·分层突破——互动·探究·智涂学习主题一植物繁殖的新途径活动1植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么？活动2草莓传统的繁殖方式易将其所感染的病毒传给后代，导致产量降低、品质变差。运用作物脱毒技术可以培育岀脱毒植株。请回答下列有关植物繁殖新途径的问题。1．作物培养过程中为什么要进行脱毒处理，如何进行脱毒处理？2．从所需条件上来看，快速繁殖与传统育种方法相比，优点有哪些？[特别提醒]微型繁殖实际上是一种无性繁殖，繁殖过程中的分裂方式是有丝分裂，亲、子代细胞内的遗传物质相同，所以能够保证亲、子代性状相同。[易错警示]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；而抗毒苗是把某抗病基因导入植物细胞，属于基因工程的范畴。1.微型繁殖(1)概念：植物的快速繁殖技术是利用植物组织培养的方法将植物体某一部分的组织小块进行培养并诱导其分化成大量的小植株，从而达到快速无性繁殖的目的，也称为试管苗繁殖或微型繁殖。(2)实质：植物组织培养。(3)原理：植物细胞的全能性。(4)微型繁殖技术的优点及应用范围①能保持亲本的一切优良性状，子代个体具有的遗传物质与亲本的遗传物质相同。②选材少，培养周期短，繁殖率高。③不受自然生长季节的限制，便于自动化管理，有利于进行工厂化培养。④作物脱毒。(5)微型繁殖的条件培养基中加入细胞生命活动所需要的水、矿质元素和小分子有机物，还有激素，更重要的是所有加入的物质都必须是无菌的，操作过程也必须在无菌条件下进行，这样才能正常繁殖出幼苗。2．作物脱毒(1)进行作物脱毒的原因(即需要解决的问题)：进行无性繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传播给后代。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，因而需要进行作物脱毒。(2)材料的选取(即解决方法)：植物分生区附近(如茎尖)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，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。用脱毒苗进行繁殖，种植的作物就不会或极少感染病毒。(3)理论基础：植物分生区附近的病毒极少，甚至无病毒。(4)特点：繁殖速度快；不受季节和地域的限制。(5)成果：目前采用茎尖组织培养技术来脱去病毒，已获得脱毒的经济作物有马铃薯、草莓、甘蔗、菠萝和香蕉等。3．可依据植物组织培养的特点理解各“繁殖新途径”的优点(1)根据植物组织培养“无性繁殖，后代能保持亲本优良性状”的特点，理解微型繁殖的优点。(2)根据植物组织培养“外植体用量少，培养周期短”的特点，理解微型繁殖的优点。(3)根据植物组织培养“取材广泛，可根据生产需要取材”的特点，理解作物脱毒的优点。(4)根据植物组织培养“在实验室或工厂进行，可人工控制，不受季节限制”的特点，理解微型繁殖的优点。1．(学业水平一、二)通过植物组织培养技术繁育农作物的优点，不包括()A．加快繁育速度B．保持亲本优良性状C．培育出无病毒植株D．改变植物的基因型2．(学业水平一、二)利用马铃薯的块茎可进行无性繁殖，种植的世代多了以后往往会感染病毒而减产，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办法是()A．选择优良品种进行杂交B．进行远缘植物体细胞杂交C．利用芽尖进行组织培养D．人工诱导基因突变3．(学业水平三、四，不定项选择)为给工厂化繁殖脱毒甘薯苗提供技术上的支持，科研人员利用植物组织培养技术研究甘薯茎尖(外植体)大小对诱导分化苗和脱毒苗的影响，实验结果如表所示，下列相关叙述，正确的是()茎尖大小外植体数/个分化苗数/苗脱毒苗数/苗小于0.3mm20110.3～0.5mm20107大于0.6mm20134A.在不同的培养阶段，培养基中生长素和细胞分裂素的比例不同B．脱分化过程中应给予充足光照使其进行光合作用C．培育脱毒苗时依据的原理有基因突变和细胞的全能性D．0.3～0.5mm大小的茎尖最有利于获得抗病毒的特性学习主题二作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产活动1对花药离体培养获得的单倍体幼苗应如何处理才可使染色体加倍？其原理是什么？活动2下图为植物细胞工程中突变体的利用过程，请据图分析回答。1．为什么培养至愈伤组织时才进行诱变处理？2．诱导分化得到的突变体都可以利用吗？为什么？3．突变体育种所依据的原理是什么？活动3下图为工厂化生产人参皂苷的基本过程。①选择人参根作为外植体进行培养，产生愈伤组织，经过培养选择增殖速度快而且细胞内人参皂苷含量高的细胞株作为种子。②将①选择的细胞株放在发酵罐中的适宜培养液中进行液体培养，增加细胞数量。③将发酵罐中培养的细胞进行破碎，从中提取人参皂苷。请结合上述内容完成细胞产物工厂化生产的过程：外植体(离体的植物器官、组织或细胞)eq\o(→,\s\up7(脱分化))________eq\o(→,\s\up7(分散开))细胞悬液eq\o(→,\s\up7(发酵、提取))________。[易错警示]1．单倍体育种与多倍体育种的异同(1)相同点：单倍体育种和多倍体育种一般均需要用秋水仙素诱导染色体数目加倍。(2)不同点：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。2．正确区分植物组织培养和植物细胞培养(1)目的不同：植物组织培养的目的是获得植物体，而植物细胞培养的目的是获得细胞产物。(2)培养基不同：前者是固体培养基，后者是液体培养基因此，若目的为获得细胞产物，通常只需要利用组织培养技术培养到愈伤组织阶段，再从愈伤组织细胞中进一步提取细胞产物。1.单倍体育种(1)原理：整个单倍体育种过程的原理是染色体变异，其中花药离体培养利用了植物细胞的全能性。(2)过程：(3)优点：明显缩短育种年限，且后代不发生性状分离。2．突变体的利用(1)原理：基因突变和植物细胞的全能性。(2)过程：(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，加快育种进程。3．细胞产物的工厂化生产细胞产物种类：蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。(1)植物的代谢产物(细胞产物)的分类①初生代谢物：初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质、核酸等。②次生代谢物：次生代谢不是生物生长所必需的，在特定条件下进行；次生代谢物是一类小分子有机化合物(如酚类、萜类和含氮化合物等)；在植物的抗虫、抗病等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。次生代谢物含量很低，从植物组织中提取会大量破坏植物资源，有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到。(2)过程(3)优点：提高生产速度、便于操作管理。4．四种生物技术的比较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、杂种细胞组织培养优点保持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1．(学业水平一、二)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裂状态B．培养基营养丰富，易于植物生长C．纺锤丝的形成容易受到抑制D．DNA的复制容易受到抑制2．(学业水平一、二)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：下列有关该育种方法的叙述，正确的是()A．这种育种方法叫杂交育种B．过程④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．③过程必须经过受精作用3．(学业水平一、二)如图为利用突变体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的全能性B．过程①②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④通常采用的筛选方法是向白三叶草幼苗喷洒除草剂4．(学业水平三、四)医学研究发现紫杉醇能有效治疗某些癌症。获得紫杉醇的传统方法是从红豆杉属植物的树皮中提取，但产量有限，也不利于濒危的红豆杉的保护。研究发现，红豆杉的其他组织细胞也能生产紫杉醇，有人尝试用细胞工程技术生产。下图为三种红豆杉细胞培养过程中细胞数量与紫杉醇产量的数据图。下列说法中，正确的是()A.在培养过程中，要不断通入空气并进行搅拌B．将红豆杉细胞经组织培养形成胚状体方可接种到培养基中C．培养后期紫杉醇产量出现下降的原因可能是种内斗争比较激烈的结果D．20～30天内在三种红豆杉中，云南红豆杉的紫杉醇产量增长速率最快强化落实·学业达标——归纳·提升·素养网络建构主干落实1.微型繁殖实际是一种无性繁殖，可以保持优良品种的遗传特性。2．植物顶端分生区附近的病毒极少，甚至无病毒，因此采用茎尖组织培养能脱去病毒。3．单倍体育种极大缩短了育种年限，节约了大量的人力和物力。4．培养的细胞一直处于不断增殖状态，因此容易受到培养条件和诱变因素的影响而产生突变。5．次生代谢物是植物代谢产生的一些一般认为不是植物基本生命活动所必需的产物。高效课堂·实践运用——随堂·巩固·达标1.多肉植物是深受人们喜爱的景观植物，现利用植物组织培养技术来扩大生产。下列不属于该技术范畴的是()A．制备培养基B．外植体的选择C．选育杂交种子D．试管苗移栽2．下面的简式表示植物组织培养的大致过程，据此判断，下列叙述不正确的是()A．若①是不同植物体细胞融合的杂种细胞，则④可能出现不同植物的遗传特性B．若①是花粉，则④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①是人参细胞，对②进行扩大培养可提高细胞产物人参皂苷的产量D．若①是具有杂种优势的农作物细胞，则用③进行直接繁育会发生性状分离3．植物细胞工程的应用不包括()A．培育番茄—马铃薯植株B．培育无子西瓜试管苗C．人参皂苷的工厂化生产D．培育高产青霉菌株4．草莓是人们经常食用的一种水果，有较高的营养价值。草莓是无性繁殖的作物，长期种植会使病毒积累在体内，产量降低，品质下降。如图是利用植物组织培养技术培育草莓脱毒苗的过程，请据图回答：(1)外植体能够形成幼苗所依据的原理是________________________。培育脱毒苗时，一般选取____________作为外植体，其依据是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)①是脱分化过程，细胞脱分化是指已经分化的细胞，经过诱导后，失去其____________________而转变为未分化细胞的过程。②是________过程。(3)研究表明，多倍体草莓产量高于二倍体，利用植物组织培养技术获得多倍体草莓的方法有两种：一是使用__________(药剂)处理草莓的愈伤组织，再经培养获得多倍体植株；二是利用________________(药剂)诱导草莓体细胞融合形成杂种细胞后，再经植物组织培养获得多倍体植株，这种育种技术被称为________________________技术。疑难解答·名师指津——释疑·解惑·教材第2小节(一)到社会中去提示：手指植物的制作方法用到了植物组织培养技术。在制作过程中，一定要注意做好灭菌和消毒工作，为了防止污染可在培养基中加入一定量的抑菌剂。另外，还可以根据个人喜好，在培养基中加入适量的色素或者荧光剂，使“手指植物”更具有观赏价值。(二)练习与应用概念检测1．(1)√(2)×2．D拓展应用1．提示：F2中的紫色甜玉米的基因型可能为Aasusu或AAsusu。如果运用常规育种方法，将F2中的紫色甜玉米与白色甜玉米(aasusu)进行测交，可以选择出基因型为AAsusu的纯种紫色甜玉米。但这种方法比较烦琐，耗时也较长，需要至少三年的选种和育种时间。其实在F1产生的花粉中就可能有Asu的组合，如果利用花药培养的技术获得单倍体植株，再经过诱导染色体加倍，就可以直接得到紫色甜玉米的纯合体。这种方法可以大大缩短育种周期。2．提示：积极探索其他的繁育途径。例如，研究如何利用植物组织培养技术繁育甜叶菊，研究内容涉及植物组织培养材料的选择，培养基配方的优化，提高试管苗移栽成活率的方法等，最终目的是建立一套利用植物组织培养技术繁育甜叶菊的标准技术体系，实现甜叶菊种苗的产业化生产。第2课时植物细胞工程的应用夯基提能·分层突破学习主题一【师问导学】活动1提示：植物组织培养到愈伤组织阶段，细胞进行有丝分裂，细胞分裂速度较快，从而获得大量的组织细胞，然后不断地分割、移瓶、诱导再分化形成新植株。植物组织培养在实验室进行，受季节、气候等条件限制较小。活动21．提示：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。而植物顶端分生区附近(如茎尖)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。2．提示：快速繁殖可在具有一定人工设施的室内生产，因而不受季节、气候等自然条件的限制。【过程评价】1．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。答案：D2．解析：芽尖分生能力旺盛，病毒难以侵染，几乎不含病毒，可以通过植物组织培养获得脱毒苗。答案：C3．解析：在不同的培养阶段，培养基中激素种类和比例不同，生长素和细胞分裂素的比例升高利于根的分化，比例下降利于芽的分化，A正确；脱分化过程中不需要光照，不能进行光合作用，B错误；培育脱毒苗时依据的原理是细胞的全能性，C错误；0.3～0.5mm大小的茎尖最有利于获得抗病毒的特性，D正确。答案：AD学习主题二【师问导学】活动1提示：可用适宜浓度的秋水仙素处理幼苗诱导染色体加倍，也可低温诱导染色体加倍。其原理都是抑制纺锤体的形成。活动21．提示：愈伤组织细胞分裂旺盛，不断进行DNA分子的复制，此时易发生基因突变。2．提示：不是。因为基因突变具有随机性和不定向性，所以并不是诱导分化得到的突变体都可以利用，还需进一步筛选出所需要的突变体。3．提示：基因突变和植物细胞的全能性。活动3提示：愈伤组织细胞产物【过程评价】1．解析：在植物组织培养过程中，培养的细胞一直处于不断分裂的状态，其DNA不断地在复制，容易受到一些条件的影响而产生突变。答案：A2．解析：该育种方法为单倍体育种，可以明显缩短育种年限。①是杂交，②是减数分裂，③是花药离体培养，④一般是用秋水仙素处理使单倍体的染色体数目加倍。③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。答案：C3．解析：白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中DNA种类相同，但因为基因的选择性表达，RNA和蛋白质的种类是有差异的。答案：C4．解析：在培养过程中，要不断通入无菌空气(注意不是空气)可以防止微生物污染并保证氧气供应充足，而进行搅拌能使细胞与培养液充分接触，A错误；将红豆杉细胞经组织培养形成愈伤组织方可接种到培养基中，B错误；培养后期紫杉醇产量出现下降的原因包括活细胞数量减少、某些代谢产物积累等，C错误；据图分析，20～30天内在三种红豆杉中，云南红豆杉的紫杉醇产量最高且快速增长，所以其增长速率最快，D正确。答案：D高效课堂·实践运用1．解析：制备培养基是植物组织培养技术中的操作流程，A正确；植物组织培养的起点是外植体，故外植体的选择属于组织培养的流程，B正确；选育杂