1、基础预习自查基础预习自查核心互动探究核心互动探究课堂素养达标课堂素养达标第第1节植物细胞工程节植物细胞工程 二植物细胞工程的应用二植物细胞工程的应用【课程标准】4.1.3举例说明植物细胞工程利用快速繁殖、脱毒、次生代谢产物生产、育种等方式有效提高了生产效率【素养目标】1.阅读相关资料,列举植物组织培养、植物体细胞杂交技术在生产实践中的应用,用生命观念解释植物细胞工程给人们带来的影响。(生命观念科学思维)2.结合生产、生活实际,客观分析与评价植物细胞工程技术产品在生产和生活中的应用价值。(生命观念科学思维)基础预习自查基础预习自查问题一:运用植物细胞工程进行植物繁殖的新途径有哪些?1.快速繁殖:
2、(1)概念:快速繁殖优良品种的_技术,也叫_技术。2.作物脱毒:(1)取材:无病毒的_组织。(2)优点:提高作物的_。(3)实例:脱毒马铃薯的培育。植物组织培养微型繁殖茎尖产量和品质【微思考】由植物组织培养得到的植物体一定是纯合子吗?提示:植物组织培养属于无性繁殖过程,得到的植物体与提供外植体的植株基因型一致,不一定是纯合子。问题二:运用植物细胞工程培育作物新品种的方式有哪些?1.单倍体育种(以二倍体植物为例):(2)优点:后代是纯合子,能稳定遗传,不会发生_。极大地缩短了_。是进行体细胞_和研究遗传突变的理想材料。性状分离育种年限诱变育种2.突变体的利用:(1)产生原因:植物组织培养过程中,
3、由于培养细胞一直处于_的状态,容易受培养条件和诱变因素的影响而产生_。(2)利用:筛选出对人们有用的_,进而培育成新品种。不断增殖突变突变体问题三:运用植物细胞工程进行工厂化生产哪些细胞产物?1.次生代谢物:植物代谢产生的一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物,是一类_有机化合物。例如_等。2.植物细胞培养技术:在_条件下对单个植物细胞或_进行培养,使其增殖的技术。3.优点:不占用耕地、几乎不受季节、天气等的限制,对于社会、经济、_具有重要意义。4.实例:我国利用植物细胞培养技术实现了大量生产人参皂苷;另外,三七、紫草和红豆杉的_也都已经实现了工厂化生产。小分子酚类、萜类和含氮化合物离体细
4、胞团环境保护细胞产物【微思考】(1)运用植物细胞工程进行工厂化生产细胞产物时,是否一直使用固体培养基?提示:不是。外植体的脱分化过程需要固体培养基,培养愈伤组织获取细胞代谢产物需要液体培养基。(2)植物细胞工程进行工厂化生产细胞产物时,是否需要培养出幼苗?为什么?提示:不一定。培养的目的不同,培养的阶段不同。如:生产细胞代谢产物,只需利用植物细胞培养技术培养至愈伤组织时期。探究点一植物繁殖的新途径1.快速繁殖(科学思维):(1)快速繁殖就是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。其技术实质和原理是什么?提示:实质是植物组织培养
5、;原理是植物细胞的全能性。(2)进行快速繁殖需要的培养基的组成成分和应具备的环境条件是怎样的?提示: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,这样繁殖的幼苗才是无毒的。核心互动探究核心互动探究(3)从所需条件上来看,快速繁殖与传统育种方法相比的优点是_。快速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.作物脱毒(科学思维):(1)为什么许多作物通过无性繁殖繁殖多代之后产量会下降?提示:作物在无性繁殖过程中感染的病毒很容易传播给后代,并在作物体内逐年积累,影响产量和品质
6、。(2)为什么作物脱毒苗培养时一般选取植物根尖或茎尖的分生区作为外植体?提示:植物分生区病毒极少,甚至无病毒,用分生区作为外植体进行组织培养,能得到大量的脱毒苗。【探究总结】快速繁殖和作物脱毒的共同点快速繁殖作物脱毒原理植物细胞的全能性技术手段 植物组织培养特点繁殖速度快;不受季节、天气等的限制【定向训练】1.用甘薯的茎尖分生组织离体培养,可快速繁殖脱毒的种苗。下列说法不正确的是()A.该过程依据的主要原理是植物细胞的全能性B.形成脱毒的种苗只经过细胞分裂,没有细胞分化的发生C.显微镜下观察处于细胞周期中的细胞,在多数细胞中看不到染色体D.甘薯的茎尖细胞中含有甘薯的全套遗传物质【解题指南】解答
7、本题时需明确植物组织培养的过程和原理。【解析】选B。植物组织培养的原理是植物细胞的全能性,A正确;该过程中细胞都通过有丝分裂方式增殖,由茎尖分生组织到脱毒苗经过植物组织培养,要发生细胞分化过程,B错误;细胞周期包括分裂间期和分裂期,其中分裂间期所占的时间长,因此显微镜下观察细胞周期中的细胞,绝大多数细胞处于分裂间期,看不到染色体,C正确;甘薯的茎尖细胞是由受精卵经有丝分裂形成的,含有甘薯的全套遗传物质,D正确。2.通过植物组织培养技术可以快速繁殖、生产药物及培育无病毒的植物等。据图甲、表乙回答问题:表乙植物的花芽分别在含有不同比例的吲哚乙酸和细胞分裂素的培养基中的生长状况A组B组C组D组E组吲
8、哚乙酸03 ppm3 ppm0.03 ppm0细胞分裂素00.2 ppm 0.002 ppm1.0 ppm0.2 ppm花芽生长状况仍是组织切块形成愈伤组织愈伤组织分化出根愈伤组织分化出嫩芽稍生长(1)离体的植物器官、组织或细胞能够被培养成新的植物体的原理是。(2)应用植物组织培养技术诱导离体的植物组织形成具有生根发芽能力的胚状体结构,若包上人造种皮,制成人工种子,可解决有些作物品种繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题。胚状体来源于离体的植物体细胞,其形成过程中要经过的生理变化大体上是图甲中_和过程,在此过程中被培养的细胞始终受的调节(内填序号)。(3)应用植物组织培养技术培养茎尖或根尖组织可
9、获得无病毒植株,其原因是。(4)从表乙的实验结果可看出:吲哚乙酸和细胞分裂素是实验中的两种重要物质。其中,新芽形成必需的条件是;而在培养形成完整新个体的过程中,对它们的调控关键是。A组B组C组D组E组吲哚乙酸03 ppm3 ppm0.03 ppm0细胞分裂素00.2 ppm0.002 ppm1.0 ppm0.2ppm花芽生长状况仍是组织切块形成愈伤组织愈伤组织分化出根愈伤组织分化出嫩芽稍生长【解析】(1)图甲表示植物组织培养过程,其原理是植物细胞的全能性。(2)由图甲可知:表示脱分化过程、表示再分化过程;在此过程中,被培养的细胞始终受细胞分裂素和吲哚乙酸的调节。(3)植物的茎尖或根尖很少被病毒
10、感染,甚至无病毒,因此应用植物组织培养技术培养茎尖或根尖组织可获得无病毒植株。(4)在植物组织培养过程中,细胞分裂素和吲哚乙酸起着重要的调节作用,当细胞分裂素比例高时,诱导丛芽的产生,当吲哚乙酸比例高时,诱导根的产生,由此可见,对它们的调控的关键是适当控制好不同培养期的培养基中细胞分裂素和吲哚乙酸的浓度及二者的比例。答案:(1)植物细胞的全能性(2)脱分化再分化植物激素(3)植物的茎尖或根尖病毒极少,甚至无病毒(4)细胞分裂素的浓度大于吲哚乙酸的浓度适当调控好不同培养期的培养基中细胞分裂素和吲哚乙酸的浓度和它们的比例【补偿训练】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感染病毒而
11、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【解析】选C。进行植物快速繁殖时常采用茎尖或根尖作为外植体,原因是茎尖或根尖病毒极少,切取一定大小的茎尖或根尖进行组织培养,得到的植株可能不带病毒。探究点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(科学思维):【实验情境】通过植物的组织培养进行单倍体育种流程图请据图分析:(1)图中和分别代表:_,_。通常是指_,目的是_,形成纯合子。杂交花药离体培养秋水仙素处理使染色体数目加倍(2)单倍体育种的原理以及涉及的生物学
12、技术分别是什么?提示:单倍体育种的原理是生殖细胞的全能性(花药离体培养为单倍体植株);染色体数目的变异(秋水仙素诱导单倍体幼苗细胞染色体数目加倍)。涉及的生物学技术是植物组织培养。(3)单倍体育种的优点和缺点分别是什么?提示:单倍体育种的优点是后代稳定遗传,都是纯合子;明显缩短育种年限。缺点是技术相对复杂,需要与杂交育种结合。(4)比较单倍体育种与多倍体育种的异同。提示:相同点: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,原理都是染色体数目变异。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。单倍体育种过程中,秋水仙素只能处理单倍体幼苗
13、,而多倍体育种可处理萌发的种子或幼苗。2.突变体的利用(科学思维):【实验情境】通过植物的组织培养诱变育种培育成新品种流程图:请据图回答:(1)为什么要对愈伤组织进行诱变处理?提示:愈伤组织细胞一直处于不断的增殖状态,不断进行DNA分子的复制,因此容易受到培养条件和诱变因素的影响而产生基因突变。(2)诱导分化得到的突变体都可以利用吗?为什么?提示:不是。因为基因突变具有多害少利性,即得到的突变体大多是有害的。(3)该育种过程所依据的原理是_。基因突变和细胞的全能性3.细胞产物的工厂化生产(科学思维):【实验情境】工厂化生产人参皂苷的基本流程:第一步:选择人参根作为外植体进行培养,产生愈伤组织,
14、经过培养找到增殖速度快而且细胞内人参皂苷含量高的细胞株,其中一部分作为种子保存,以备下一次生产用,一部分进行发酵生产。第二步:将第一步选择得到的细胞株在发酵罐中的适宜培养液中进行发酵生产。第三步:将发酵罐中培养的细胞进行破碎处理,从中提取人参皂苷。(1)根据上述工厂化生产人参皂苷的基本流程,概括出工业化生产细胞产物的流程模型(用关键词和箭头表示)。提示:(2)与传统的从植物体内提取相比,工厂化生产细胞产物有哪些优点?提示:不受时间、地点、环境的影响,几乎不受季节、天气等的限制,克服了植物生长缓慢的缺点,提取方便等。【探究总结】单倍体育种和突变体育种的比较项目变异原理优点实例单倍体育种染色体变异
15、明显缩短育种年限单育1号烟草品种、中花8号、11号水稻和京花1号小麦等突变体育种基因突变产生新基因,大幅度改良某些性状抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的野生烟草等【定向训练】如图表示植物组织培养的大致过程,据此判断不正确的是()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苷的产量D.若是具有杂种优势的农作物细胞,则用进行繁育一定会发生性状分离【解题指南】解答本题的关键是:(1)正确分析题图,明确各序号表示的含义。(2)植物组织培养的条件及过程。【解析】选D。若是
16、来自不同植物体细胞融合的杂种细胞,则其含有两个亲本的遗传物质,所以可能出现不同植物的遗传特性,A正确;若是花粉,则是经花药离体培养形成的单倍体植株,其高度不育,但经染色体加倍后可得到稳定遗传的品种,B正确;若是人参细胞,则将其脱分化形成(愈伤组织),再进行扩大培养可提高细胞产物人参皂苷的产量,C正确;只有杂合子才会发生性状分离,而具有杂种优势的农作物细胞也可能是纯合子,所以用进行繁育不一定会发生性状分离,D错误。【补偿训练】用单倍体育种,可以明显缩短育种年限,是因为后代不发生性状分离,下列有关其原因的说法正确的是()A.通过染色体加倍的可育植株,等位基因纯合,这样的植株自交,后代不发生性状分离
17、B.单倍体植株只有一套染色体,不会出现等位基因,也就不会有杂合子,后代不会发生性状分离C.两单倍体杂交后,后代都是纯合子,纯合子自交后代不会发生性状分离D.以上三种说法均正确【解析】选A。单倍体经人工诱导后染色体加倍,因此这样形成的植株都是纯合子,纯合子自交得到的后代也都是纯合子,后代不会发生性状分离,所以单倍体育种可以明显缩短育种年限。1.植物细胞工程是将植物的器官、组织、细胞甚至细胞器进行离体的、无菌的培养,它是对细胞进行遗传操作及细胞保藏的基础。下面有关植物细胞工程实际应用的叙述正确的是。快速繁殖技术只保持亲本的优良特性脱毒苗培育所选的组织培养材料可以来自植株的任何部位培养草莓脱毒苗所采
18、用的主要技术是细胞杂交单倍体育种和突变体培育的遗传学原理是一致的突变体培育通常对植物的愈伤组织进行诱变处理工厂化生产的细胞产物来自愈伤组织细胞,其化学成分都是蛋白质课堂素养达标课堂素养达标【解析】选。快速繁殖技术属于无性繁殖,保持亲本的所有性状,包括优良特性,错误。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,错误。培养草莓脱毒苗所采用的主要技术是植物组织培养技术,错误。单倍体育种的遗传学原理是染色体变异,突变体培育的遗传学原理是基因突变,错误。突变体培育通常对植物的愈伤组织进行诱变处理,正确。工厂化生产的细胞
19、产物不都来自愈伤组织细胞,可能来自根或叶,也不都是蛋白质,植物代谢产生的次生代谢物如酚类、萜类都不是蛋白质,错误。2.(2021上海高二检测)甘薯种植多年易积累病毒而导致品种退化。目前采用茎尖分生组织离体培养来繁殖脱毒的种苗,以保证甘薯的品质和产量。此过程不涉及细胞的()A.有丝分裂B.分化C.减数分裂D.全能性【解析】选C。在分生组织形成种苗的过程中,细胞数目增多,发生了有丝分裂,脱分化形成的愈伤组织再分化形成脱毒苗,体现了细胞的全能性,但是未形成成熟的生殖细胞,没有发生减数分裂。3.下列过程中不涉及植物组织培养技术的是()A.由马铃薯的茎尖培育出脱毒植株B.白菜和甘蓝经体细胞杂交过程培育出
20、杂种植株C.人参皂苷等细胞产物的工厂化生产D.二倍体水稻的种子经秋水仙素处理后培育出四倍体植株【解析】选D。由茎尖、杂种细胞培育成植株及生产细胞产物的过程,均需要运用植物组织培养技术,A、B不符合题意;运用植物组织培养技术进行人参皂苷的工厂化生产,C不符合题意;将二倍体水稻的种子经秋水仙素处理后培育成四倍体的过程,属于多倍体育种,不涉及植物组织培养,D符合题意。4.单倍体育种的优点是可明显缩短育种年限,下列有关单倍体育种的说法正确的是()A.花药离体培养的脱分化过程中不需要使用植物激素B.两个单倍体经植物体细胞杂交,后代一定是纯合子C.单倍体育种获得的是单倍体,还需要经过秋水仙素处理D.以上说
21、法均不正确【解析】选D。花药离体培养属于植物组织培养,在脱分化的过程中需用到两种植物激素,A错误;两个单倍体的基因组成可能不同,因此两者经植物体细胞杂交,获得的后代可能是杂合子,B错误;单倍体育种包括花药离体培养和秋水仙素诱导染色体加倍两个过程,所以,单倍体育种获得的不是单倍体,C错误。5.紫草宁具有抗菌、消炎效果。在工业化生产中,取紫草植株部分组织诱导形成紫草愈伤组织,再转入紫草宁形成培养基,然后再将细胞破碎后可提取出紫草宁。下列相关叙述中,不正确的是()A.工业化生产过程中通过细胞的脱分化形成愈伤组织B.愈伤组织无法进行光合作用,需从培养基中吸收有机物C.紫草宁在细胞内合成后被分泌到细胞外
22、D.紫草的愈伤组织细胞在低渗溶液中不会涨破【解析】选C。将紫草植株的部分组织诱导形成愈伤组织的过程属于细胞的脱分化,A正确;愈伤组织不能进行光合作用,需从培养基中吸收有机物,B正确;根据题干中“将细胞破碎后提取出紫草宁”可知,紫草宁在细胞内合成后不能分泌到细胞外,C错误;紫草的愈伤组织细胞有细胞壁,在低渗溶液中不会涨破,D正确。【新高考新风向】6.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。在愈伤组织悬浮培养时,细胞干重、蔗糖浓度和pH的变化如图所示。请回答下列问题:(1)培养液中蔗糖的作用是什么?(2)细胞干重在12 d后下降的原因是什么?(3)多倍体愈
23、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,压片前常用纤维素酶和果胶酶解离愈伤组织。若愈伤组织细胞(2N)经诱导处理后,观察到染色体数为8N的细胞,合理的解释是、。【解析】(1)培养液中的蔗糖具有调节渗透压、提供能源的作用。(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。(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,使染色体不能移向两极,从而使细胞中染色体数目加倍。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(4N),有的细胞染色体数目未加倍(2N),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前期、中期时染色体数目也为8N。答案:(1)调节渗透压、提供能源。(2)蔗糖浓度下降,pH降低。(3)秋水仙素(低温)经加倍到4N的细胞处于有丝分裂后期或经加倍到8N的细胞处于有丝分裂前期、中期
