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第二节植物细胞工程的应用
1.植物组织培养技术主要用于快速繁殖种苗、培育无病毒植株和制备人工种子等方面。
2．植物组织培养时，需要严格执行一定的程序。
3．人工种子的结构包括人工种皮、胚状体和人工胚乳。
4．植物细胞培养技术主要用于植物细胞代谢产物的工厂化生产和进行单倍体育种。
5．植物细胞培养具有细胞生长周期短、条件可控等特点。
植物组织培养的应用
1．快速繁殖
(1)植物组织培养技术可以保持优良植物品种的遗传特性。
(2)植物组织培养时，需要严格执行一定的程序，幼苗在实验室的培养瓶中生长发育，整个生产过程实现微型化、精细化，又被称为“微型繁殖技术”。
(3)利用植物组织培养技术繁殖植物，具有不受季节和恶劣天气的影响，可以全年进行连续生产的优点。
2．培育无病毒植物
(1)材料：茎尖生长点，因为植物分生组织细胞中极少含有病毒甚至不含病毒。
(2)方法：植物组织培养或结合热处理。
(3)目的：除去绝大多数植物的病毒，大量繁殖无病毒植物。
3．人工种子
(1)概念：人工种子是指将在植物组织培养中得到的胚状体、不定芽、顶芽或腋芽，包埋在具有养分和保护功能的包被中，得到的在适宜的条件下能够生根发芽的颗粒体。
(2)结构：
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(3)制备过程：
→→
(4)优点：
①不受环境因素的制约。
②繁殖速度快。
③胚状体是经人工无性繁殖产生的，有利于保存该种系的优良性状。
(5)应用：
①保护濒危植物。
②快速繁殖经济植物。
1．植物组织培养技术主要有哪些方面的应用？
提示：主要用于快速繁殖，培育无病毒植物和制备人工种子。
2．培养无病毒植物时，为什么选择茎尖生长点作材料？
提示：植物分生组织细胞中极少含有病毒甚至不含病毒。
3．用于制备人工种皮的材料应具有什么特点？
提示：有韧性、透气、对胚状体无毒害作用。
4．植物快速繁殖和用人工种子繁殖属于无性繁殖还是有性繁殖？
提示：均属于无性繁殖。
1．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。
2．人工种子的优点
(1)解决了某些作物品种繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题。
(2)不发生性状分离。天然种子由于在遗传上具有因减数分裂引起的重组现象，因而会造成某些遗传性状的改变，而人工种子则可以完全保持优良品种的遗传特性。
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(3)繁殖周期短。天然种子在生产上受季节的限制，一般每年只能繁殖1～2次，有些甚至十几年才繁殖一次，而人工种子生产不受季节限制，且快捷高效。
(4)可控制植物的生长发育与抗逆性。针对植物种类和土壤条件，在人工种子的包裹剂中还可以加入适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等，可控制植物的生长发育和增强抗逆性。
(5)便于贮藏和运输。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。
(6)不受季节、气候和地域等条件的限制。
(7)用人工种子播种可以节约粮食。
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
(1)依据：植物细胞在生命活动中会产生多种植物细胞次生代谢产物，这是植物生长到一定阶段才能产生的。
(2)应用：
①生产药用原料：
a．培养人参细胞，提取人参皂苷。
b．培养红豆杉细胞，获取抗肿瘤药物——紫杉醇。
②生产食品添加剂：从植物细胞中提取各种天然的香精、食用色素、甜味剂等。
③生产保健食品：大量培养螺旋藻，用于制作多种营养与保健食品。
(3)优点：
①可大量生产具有生理活性的次生代谢产物。
②生产过程快速、高效，而且不受季节、外部环境等条件的限制。
2．单倍体育种
(1)单倍体植株的特点：与正常二倍体植株相比，叶小、株矮、生活力弱且高度不育。
(2)单倍体育种的过程：
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在诱导单倍体植株的各个阶段，所用的诱导剂是质量分数为0.2%～0.4%的秋水仙素溶液，处理时间为24～48_h。
(3)单倍体育种的意义：可缩短育种周期和获得纯系。
(4)实例：京花1号和3号冬小麦等。
1．植物细胞培养应采用什么培养基？为什么
提示：液体培养基。因为液体培养基能够使分散开的植物细胞充分与营养液混合，有利于细胞对营养物质的吸收和利用。
2．根据生产的目的不同，植物组织培养的阶段不同，如微型繁殖应培养到试管苗阶段。请分析要生产人参皂甙干粉，应培养到什么阶段。
提示：愈伤组织阶段。
3．在单倍体育种过程中，诱导染色体数目加倍应在哪一阶段？
提示：可在各个阶段。如愈伤组织阶段、幼胚阶段及小苗阶段。
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
利用原理
植物细胞全能性
细胞增殖
培养基
固体培养基
液体培养基
培养对象
离体的植物器官、组织、细胞或原生质体
由愈伤组织分散得到的悬浮细胞
培养过程
外植体→脱分化→再分化→芽、根→植物幼苗
愈伤组织→分散成悬浮细胞→继代培养→细胞次生代谢产物
培养目的
植物幼苗
细胞的次生代谢产物
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二者关系
植物组织培养是植物细胞培养的基础，它们都属于植物细胞工程的范畴
2．单倍体育种、基因工程育种和植物细胞工程育种的比较
项目
单倍体育种
基因工程育种
植物细胞工程育种
原理
染色体变异、植物细胞的全能性
基因重组
植物细胞的全能性
方法
选择亲本→有性杂交→F1产生的花粉离体培养获得单倍体植株→诱导染色体加倍获得可育纯合子→选择所需要的类型
提取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→基因表达→筛选出符合要求的新品种
去细胞壁→细胞融合→组织培养
优点
明显缩短育种年限，加速育种进程；全是纯合子，后代不发生性状分离
不受种属限制，可根据人类的需要，有目的地进行
克服远源杂交的不亲和性，有目的地培育优良品种
缺点
技术较复杂，需与杂交育种结合，多限于植物
可能会引起生态危机，技术难度大
技术复杂，难度大
[特别提醒] 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。
以模式图为载体，综合考查人工种子的结构、优点及制备
[例1] 下面为人工种子图示，下列与其培育过程有关的叙述中，错误的是( )
A．人工种子一般用离体的植物细胞通过组织培养技术获得
B．胚状体是由愈伤组织分化而成，离体细胞只有形成愈伤组织才能表现出全能性
C．同一批次的人工种子可以保证具有相同的基因型
D．胚状体是由未分化的、具有分裂能力的细胞构成的
[思路点拨]
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[精讲精析] 人工种子是通过植物组织培养到胚状体阶段，再经过人工薄膜包装得到的。由于植物组织培养属于无性繁殖，因此同一批次生产的人工种子基因型相同。胚状体已具有根、芽的分化，但仍具有分裂能力。
[答案] D
以数据图为依托，考查植物的细胞培养及其应用
[例2] 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，也不利于濒危植物红豆杉的保护。研究发现，红豆杉的其他组织细胞也能生产紫杉醇，有人尝试用植物细胞工程技术生产。下面为三种红豆杉细胞培养过程中细胞数量、紫杉醇产量与培养时间的数据图。请回答：
(1)据图分析，获得高产紫杉醇应选________红豆杉为原料，培养后期紫杉醇产量出现下降的原因包括________________________________等。
(2)将红豆杉细胞经组织培养形成________方可接种到培养基中。
(3)利用组织培养技术生产与传统方法提取紫杉醇相比，前者具有________________优点(至少答出两点)。
[思路点拨]
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[精讲精析] (1)根据紫杉醇含量数据图可以看出：云南红豆杉产量最高，所以要获得高产紫杉醇应选用云南红豆杉为原料。植物细胞培养过程中，随着培养时间的延长，培养基中营养成分减少，某些有害物质积累，使活细胞数量减少、细胞代谢减慢等，从而使紫杉醇产量下降。(2)培养红豆杉细胞的目的是获得细胞代谢产物—紫杉醇，所以培养到愈伤组织即可。(3)利用组织培养技术获得紫杉醇不仅快速、高效，耗材少，而且不受季节、外部环境等条件的限制，还不会对环境造成污染，有利于环境保护。
[答案] (1)云南 细胞代谢减慢、活细胞数量减少、某些有害代谢产物积累
(2)愈伤组织
(3)快速、高效；耗材少，节约资源；不受季节、外部环境等条件限制等
[课堂回扣练习]
1．下列实例中能体现细胞全能性的是( )
①用培养基培养的胡萝卜单个细胞发育成了可育的植株
②植物用种子进行繁殖 ③烟草花药离体培养得到了单倍体植株
A．①② B．①③
C．②③ D．①②③
解析：选B 用培养基培养的胡萝卜单个细胞发育成了可育的植株及烟草花药离体培养得到了单倍体植株都采用植物组织培养技术，都体现了植物细胞的全能性。而种子是绿色开花植物的一种器官，是通过有性生殖形成的，因此，植物用种子进行繁殖不能体现植物细胞的全能性。
2．甘薯种植多年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．进行远源体细胞杂交
C．利用芽尖进行组织培养
D．人工诱导基因突变
解析：选C 无性繁殖的作物感染病毒后很容易传播给后代，病毒在生物体内积累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，切取一定大小的芽尖或芽体进行组织培养，再生植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。
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3．在人工种子中，需通过细胞工程才能获得的结构是( )
A．人工种皮 B．胚状体
C．人工胚乳 D．微胶囊
解析：选B 胚状体是利用植物组织培养技术获得的。
4．下列关于植物细胞培养的叙述，不正确的是( )
A．植物细胞培养是指在实验室工厂化生产的条件下，进行悬浮培养，从而获得大量细胞群体的一种技术
B．在植物细胞培养的基础上发展出了植物组织培养技术
C．植物细胞培养的培养基主要由水、无机营养、有机营养、天然附加物和生长物质等组成
D．植物细胞培养的最重要目的是获得植物次生代谢产物
解析：选B 植物细胞培养是在植物组织培养的基础上发展起来的。
5．下列有关叙述，错误的是( )
A．与正常二倍体植株相比，单倍体植株高度不育
B．单倍体育种能缩短育种周期
C．单倍体育种的核心问题是单倍体植株的诱导与栽培
D．单倍体育种过程中，只能在小苗阶段诱导染色体加倍
解析：选D 单倍体育种过程中，诱导染色体数目加倍，可以在愈伤组织阶段、幼胚阶段以及小苗阶段等阶段进行。
[课下综合检测]
一、选择题
1．下图为植物组织培养过程，有关说法错误的是( )
A．b试管中细胞全能性最高
B．d试管中培育出的个体都是纯合子
C．a→b过程需要激素的刺激
D．a→d过程中细胞分裂都进行有丝分裂
解析：选B 植物组织培养是利用单一亲本的组织或细胞，经培养使之增殖分化为一个完整植株，属于无性繁殖，基因型与亲本基因型一致，不一定是纯合子。
2．为了通过细胞工程获得无病毒作物，培育时一般采用植物的( )
A．叶片表皮细胞 B．根毛细胞
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C．茎尖细胞 D．微管束细胞
解析：选C 通常植物的分生区附近，如茎尖、根尖，因很少被病毒感染，甚至无病毒而被用来培育无病毒植株。
3．下列各项中，可以通过细胞工程用于开发洁净能源减少环境污染的生物是( )
A．蓝藻 B．硝化细菌
C．分解石油的“工程菌” D．酵母菌
解析：选A 利用细胞工程产氢技术，将蓝藻、绿藻、光合细菌等单细胞生物在特定的条件下产生的氢气作为燃料，是开发洁净新能源的途径之一，对减轻环境污染具有重要意义。
4．下列过程与植物细胞工程无关的是( )
A．培育无病毒的马铃薯
B．制作人工种子
C．培育单倍体植株
D．扦插与嫁接
解析：选D 扦插、嫁接是在器官和个体水平上进行的操作，不是在细胞或细胞器水平上的操作。
5．下列有关植物细胞工程应用的叙述，错误的是( )
A．以根尖、茎尖为材料利用组织培养技术可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，能保持亲本的性状
C．利用组织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“萝卜甘蓝”，克服了生物远缘杂交不亲和的障碍
解析：选A 以根尖、茎尖为材料利用组织培养技术可获得脱毒植株，但不能获得抗病毒的新品种。
6．人参皂苷粉是人参中重要的药用成分，以前只能从人参中提取，产量极低，因而价格较贵，目前可通过下列哪项技术迅速大量获取( )
A．基因工程 B．植物细胞培养
C．植物体细胞杂交 D．发酵工程
解析：选B 人参皂苷粉是人参细胞代谢过程中产生的次级代谢产物，可通过植物细胞培养技术培养人参细胞而获得。
7．以下说法不正确的是( )
A．植物分生组织细胞中极少含甚至不含病毒
B．一年四季都可以进行工厂化生产人工种子
C．单倍体育种的材料是正常二倍体的花药(花粉)
D．单倍体育种中，通过秋水仙素处理后，得到的都是正常的二倍体植株
解析：
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选D 通过诱导染色体数目加倍处理后，可能获得染色体数目加倍的、正常的二倍体植株。
8．下列关于细胞工程应用的说法中，错误的是( )
A．应用细胞工程可以改造细胞的遗传信息
B．应用细胞工程可以获得有用的细胞代谢产物
C．应用细胞工程培育具有优良性状的人
D．应用细胞工程可以培育新的生物品种
解析：选C 应用细胞工程理论上可以培育具有优良性状的人，但目前还没有达到这一技术水平，另外由于这一科研成果对传统伦理观念提出挑战，许多国家都立法禁止克隆人。
二、非选择题
9．(江苏高考)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的变化如上图所示。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，压片前常用纤维素酶和________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___________________________、___________________________。
(4)为了更好地获得次生代谢产物，生产中采用植物细胞的固定化技术，其原理与酵母细胞固定化类似。 下列说法正确的有____________(填序号)。
①选取旺盛生长的愈伤组织细胞包埋
②必须在光照条件下培养
③培养过程中需通空气
④固定化后植物细胞生长会变慢
解析：
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(1)外植体是植物体离体的组织、器官或细胞，诱导形成愈伤组织的过程称为脱分化。(2)在培养过程中，蔗糖为细胞提供能源。随着蔗糖的消耗，营养供应减少，同时，细胞代谢产物、废物增加，使pH降低(偏酸)，不利于细胞生长。培养基中的蔗糖还具有调节渗透压的作用。(3)秋水仙素或低温处理都可诱导细胞染色体数目加倍。纤维素酶和果胶酶处理细胞壁，可以使细胞之间易于分离(解离)。(4)获得植物次生代谢产物应选用生长旺盛的愈伤组织；愈伤组织细胞进行有氧呼吸，故需要通气；愈伤组织没有叶绿体，产生次生代谢产物的过程不需要光照；固定化细胞所用包埋材料会影响营养物质和氧气的扩散；使固定化后的植物细胞生长速度变慢。
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 (4)①③④
10．“白菜甘蓝”是科学家用细胞工程的方法培育出来的蔬菜新品种，它具有生长期短、耐热性强和易储存等优点。下面是“白菜甘蓝”培育过程示意图，请完成下列问题：
(1)由杂种细胞D培育成“白菜甘蓝”植株，采用的技术手段是_____________________。该过程说明植物细胞具有________________。
(2)在d过程培养中，培养基的成分通常包括水、________________、有机营养和________________________等。同时，在培养过程中，除必要的温度、光照和氧气等外界条件外，另一个成功的关键是操作过程中必须保证________。
(3)在a过程中诱导原生质体融合最常用的诱导剂是________，融合依据的原理是________________________________________________________________________。
解析：(1)由杂种细胞培养成杂种植株用的方法是植物组织培养技术，依据的原理是植物细胞的全能性。(2)植物组织培养的培养基成分有水、无机营养、有机营养、植物激素等，在操作过程中一定要保证无菌。(3)诱导细胞融合常用的方法有物理法和化学法，常用的诱导剂是聚乙二醇(PEG)，融合的原理是细胞膜的流动性。
答案：(1)植物组织培养 全能性
(2)无机营养 植物激素 无菌
(3)聚乙二醇(PEG) 细胞膜的流动性
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