2018版高中生物 第2章 細胞工程 2.1 植物細胞工程 2.1.2 植物細胞工程的實際應(yīng)用學(xué)案 新人教版選修3.doc

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2.1.2　植物細胞工程的實際應(yīng)用 1．簡述微型繁殖技術(shù)。(重點) 2．理解掌握利用植物組織培養(yǎng)的技術(shù)培養(yǎng)脫毒苗和人工種子。(重、難點) 3．理解植物組織培養(yǎng)技術(shù)在細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。(重點) 植 物 繁 殖 的 新 途 徑 1．微型繁殖 (1)概念：快速繁殖優(yōu)良品種的植物組織培養(yǎng)技術(shù)。 (2)特點 2．作物脫毒 (1)選材部位：植物的分生區(qū)附近。 (2)選材原因：分生區(qū)附近的病毒極少，甚至無病毒。 (3)實例：目前采用莖尖組織培養(yǎng)技術(shù)來脫除病毒，在馬鈴薯、草莓、甘蔗、菠蘿、香蕉等主要經(jīng)濟作物上已獲得成功。 3．人工種子 (1)概念：以植物組織培養(yǎng)得到的胚狀體、不定芽、頂芽和腋芽等為材料，經(jīng)過人工薄膜包裝得到的種子。 (2)特點 ①后代無性狀分離。 ②不受季節(jié)、氣候和地域限制。 (3)實例：我國已成功地把芹菜、花椰菜、桉樹和水稻的胚狀體制備成了人工種子。 探討：植物組織培養(yǎng)可以進行快速繁殖的原因是什么？ 提示：植物組織培養(yǎng)到愈傷組織的階段，細胞進行有絲分裂，細胞分裂速度較快，從而獲得大量的組織細胞，然后不斷地分割、移瓶、誘導(dǎo)再分化形成新植株。植物組織培養(yǎng)在實驗室進行，受季節(jié)、氣候等條件限制較小。 探討：作物培養(yǎng)過程中為什么要進行作物脫毒，如何進行作物脫毒？ 提示：對于無性繁殖的作物，病毒在作物體內(nèi)逐年積累，就會導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低、品質(zhì)變差。而植物分生區(qū)附近的病毒極少，甚至無病毒，因此切取一定大小的莖尖進行組織培養(yǎng)，再生的植物就有可能不帶病毒，從而獲得脫毒苗。 探討：根據(jù)種子發(fā)育所需的營養(yǎng)物質(zhì)，分析人工種皮內(nèi)應(yīng)含有哪些有效成分？ 提示：適宜的養(yǎng)分、無機鹽、有機碳源以及農(nóng)藥、抗生素、有益菌等。 1．微型繁殖 (1)本質(zhì)：微型繁殖實際上是一種無性繁殖，能保持親本的一切優(yōu)良性狀，這項技術(shù)只運用了植物組織培養(yǎng)技術(shù)，因此該過程只涉及有絲分裂，不涉及減數(shù)分裂。 (2)優(yōu)點：使用材料少，培養(yǎng)周期短，繁殖率高，便于自動化管理，有利于進行工廠化培養(yǎng)。 2．作物脫毒 (1)病毒的特點：病毒是寄生生物，在用種子繁殖或用植物根、莖的無性繁殖過程中，種子、根、莖的細胞中可能攜帶著病毒并傳給下一代，使其繁殖的子代感染病毒。 (2)材料的選?。簱?jù)檢測，植物的分生區(qū)附近的病毒極少，甚至無病毒。如果將未被病毒感染的植株的分生組織用植物組織培養(yǎng)的方法培育幼苗用于生產(chǎn)，可以避免病毒對作物的影響，大大提高作物的產(chǎn)量。 3．人工種子 (1)人工種皮的要求： ①能保持胚狀體的活力，即要能透氣、透水，含有胚狀體發(fā)芽所需要的各種營養(yǎng)成分等。 ②有利于貯藏、運輸和萌發(fā)，選取的材料要有韌性、耐壓、對胚狀體無毒害。 ③還應(yīng)含有農(nóng)藥和殺菌劑，以防播種后害蟲及微生物的侵害。 ④還要加入能促進胚狀體生長和發(fā)育的一些植物生長調(diào)節(jié)劑、有益菌等。 (2)胚狀體的要求：①播種后能快速出苗；②根和芽同步生長，活力強；③形成的幼苗的形態(tài)與生長要正常。 (3)制備流程：誘導(dǎo)植物愈傷組織的形成→體細胞胚的誘導(dǎo)→體細胞胚的成熟→機械化包裝→儲藏或種植。 1．馬鈴薯利用它的塊莖進行無性繁殖，種植的世代多了以后往往會感染病毒而減產(chǎn)，為此農(nóng)戶都希望得到無病毒的幼苗進行種植。獲得無病毒幼苗的最佳辦法是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：72240021】 A．選擇優(yōu)良品種進行雜交 B．進行遠緣植物體細胞雜交 C．利用芽尖進行組織培養(yǎng) D．人工誘導(dǎo)基因突變 【解析】　芽尖分生能力旺盛，病毒難以侵染，幾乎不含病毒，可以通過組織培養(yǎng)獲得脫毒苗。 【答案】　C 2．科學(xué)家從懸浮培養(yǎng)的單細胞、離體花粉或胚囊中，通過植物組織培養(yǎng)技術(shù)獲得胚狀結(jié)構(gòu)(胚狀體)，胚狀體不同于一般的種子胚，它是由非合子細胞分化形成的類似于胚的結(jié)構(gòu)物，所以，又稱“體細胞胚”或“花粉胚”。胚狀體在一定的條件下，可以通過胚胎發(fā)育過程形成植株。將其包埋在一個能提供營養(yǎng)的膠質(zhì)中，外面包裹上人造種皮，便制成了“人工種子”。人工種子的概念是1978年在加拿大舉行的第四屆國際植物組織、細胞培養(yǎng)會議上首次提出來的。目前，我國科學(xué)家利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)已在煙草、水稻、小麥和玉米等植物上成功誘導(dǎo)出胚狀體，而美、日、法等國正著手將人工種子市場化、商品化。 (1)簡要歸納“離體的細胞”進行植物組織培養(yǎng)獲得胚狀體的過程：____________________________________________________________________ ______________________________________________________________。 (2)“人工種子”大體由胚狀體、包埋胚狀體的膠質(zhì)以及人造種皮等部分組成。包埋胚狀體的膠質(zhì)中富含營養(yǎng)物質(zhì)，這是因為_________________________。 為了滿足胚狀體代謝的需求，“人造種皮”還必須具有良好的___________性能。 (3)由“人工種子”萌發(fā)出的植株是否可育？__________________________ _______________________________________________________________。 (4)寫出“人工種子”商品化的意義：_________________________________ __________________________________________________。(任填兩項即可) (5)培育胚狀體利用了________________這一項生物技術(shù)。在該過程中培養(yǎng)基中需要添加________和____________兩種激素，還需要對培養(yǎng)基進行嚴格的________。 (6)該項技術(shù)的成功應(yīng)用，反映了植物細胞的________________________性。 【解析】　組織培養(yǎng)的過程包括脫分化和再分化兩個階段。胚狀體在萌發(fā)初期不能進行光合作用，因此需要給其提供營養(yǎng)，人工種皮要有很好的透氣性，保證供給胚足夠的氧氣。胚狀體的培育利用的是組織培養(yǎng)的技術(shù)，培養(yǎng)基中需要添加生長素和細胞分裂素，同時要保證無菌條件。 【答案】　(1)離體的細胞愈傷組織胚狀體 (2)胚狀體在萌發(fā)初期不能進行光合作用　透水、透氣 (3)由花粉培養(yǎng)發(fā)育的植株一般不可育，由體細胞經(jīng)組織培養(yǎng)發(fā)育的植株是可育的 (4)可用于苗木的快速繁育，無病毒植株培養(yǎng)，解決有些作物繁殖能力差、結(jié)子困難或發(fā)芽率低等問題 (5)植物組織培養(yǎng)　生長素　細胞分裂素　滅菌 (6)全能 作 物 新 品 種 的 培 育 和 細 胞 產(chǎn) 物 的 工 廠 化 生 產(chǎn) (一)作物新品種的培育 1．單倍體育種 (1)過程：花藥離體培養(yǎng)―→單倍體植株純合子植株。 (2)優(yōu)點 ①后代是純合子，能穩(wěn)定遺傳。 ②明顯縮短了育種的年限。 2．突變體的利用 (1)產(chǎn)生原因：在植物的組織培養(yǎng)過程中，易受培養(yǎng)條件和外界壓力(如射線、化學(xué)物質(zhì)等)的影響而產(chǎn)生突變。 (2)利用：篩選出對人們有用的突變體，進而培育成新品種。 (二)細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn) 1．細胞產(chǎn)物種類：蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、藥物、香料、生物堿等。 2．技術(shù)：植物組織培養(yǎng)技術(shù)。 3．實例：我國利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)實現(xiàn)了大量生產(chǎn)人參皂甙干粉；另外，三七、紫草和銀杏的細胞產(chǎn)物也都已經(jīng)實現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)。 探討：在植物組織培養(yǎng)過程中，為什么培養(yǎng)細胞容易在培養(yǎng)條件和外界壓力改變的條件下產(chǎn)生突變？ 提示：因為培養(yǎng)細胞一直處于不斷的分生狀態(tài)。 探討：單倍體育種過程中如何誘導(dǎo)染色體加倍？作用原理是什么？ 提示：秋水仙素處理。抑制紡錘體的形成，使細胞不能正常分裂，從而使染色體數(shù)目加倍。 探討：根據(jù)生產(chǎn)的目的不同，植物組織培養(yǎng)的階段不同，如微型繁殖應(yīng)培養(yǎng)到試管苗階段。請分析要生產(chǎn)人參皂甙干粉，應(yīng)培養(yǎng)到什么階段。 提示：愈傷組織階段。 1．單倍體育種 (1)過程： (2)原理：生殖細胞的全能性(花藥離體培養(yǎng)為單倍體植株)；染色體數(shù)目的變異(秋水仙素誘導(dǎo)單倍體幼苗細胞染色體數(shù)目加倍)。 (3)優(yōu)點：與雜交育種要經(jīng)過5～6年的連續(xù)篩選相比，單倍體育種明顯縮短育種年限，加快育種進程。 2．突變體的利用 (1)過程： (2)原理：基因突變和植物細胞的全能性。 (3)優(yōu)點：提高愈傷組織的突變率，可以獲得高抗、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆的新品種，加快了育種進程。 (4)缺點 ①突變不定向，需要處理大量材料。 ②突變少利多害，符合人們需要、有利的品種比較少。 3．細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn) (1)過程： 　　　從細胞內(nèi)提 　　　取細胞產(chǎn)物 　　　　　↑ 外植體愈傷組織胚狀體→ (2)原理：植物細胞的全能性。 (3)應(yīng)用舉例：人參皂甙、紫杉醇的工廠化生產(chǎn)。 (4)優(yōu)點：可以大量生產(chǎn)細胞產(chǎn)物，工廠化規(guī)?；潭雀摺? 1．為獲得純合高蔓抗病番茄植株，采用了下圖所示的方法，圖中兩對相對性狀獨立遺傳。據(jù)圖分析，不正確的是(　　) A．圖中篩選過程不改變抗病基因頻率 B．過程①的自交代數(shù)越多，純合高蔓抗病植株的比例越高 C．過程②可以任取一植株的適宜花藥作為培養(yǎng)材料 D．過程③包括脫分化和再分化兩個過程 【解析】　圖中篩選過程會改變抗病基因頻率，使其變大；雜交育種過程①的自交代數(shù)越多，純合高蔓抗病植株的比例越高；單倍體育種過程②可以任取一植株的適宜花藥作為培養(yǎng)材料；轉(zhuǎn)基因植株的培育利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)，過程③包括脫分化和再分化兩個過程。 【答案】　A 2．下圖所示為植株繁殖的四種人工方式示意圖，請據(jù)圖回答： 原生質(zhì)體 (1)圖中單倍體植株通常的獲取方式是____________。若圖中單倍體細胞含2個染色體組，A有4個染色體組，則③過程所用化學(xué)試劑的作用是_____________ ________________。 (2)圖中B和C過程的不同點是_______________________________，這種不同主要的決定因素是________________________。 (3)若想在C過程中獲得突變體，進而培育成新品種植株，應(yīng)用物理誘變或化學(xué)誘變的方法處理________。(4)若要獲得水稻的“人工種子”，則應(yīng)選用圖中的________結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與正常受精卵形成的________有類似的結(jié)構(gòu)和發(fā)育過程。 (5)若D為胡蘿卜—羊角芹，②過程常用的物理方法有________________等；經(jīng)融合處理后，已經(jīng)融合的細胞類型有________________種(若融合的細胞只考慮兩兩融合)。 【解析】　本題主要考查植物細胞工程的原理和應(yīng)用。 (1)圖中A過程表示單倍體育種，獲取單倍體時常用花藥離體培養(yǎng)的方法。若要使單倍體的染色體加倍，變成A植株，則需要在③過程中用秋水仙素處理幼苗，以抑制細胞有絲分裂過程中紡錘體的形成過程。 (2)圖中B和C過程都是體細胞的組織培養(yǎng)，其不同點是B過程中形成的是胚狀體，而C過程形成的是叢芽，這種不同主要的決定因素是細胞分裂素與生長素的比值。 (3)在組織培養(yǎng)過程中獲得突變體，一般用物理誘變或化學(xué)誘變的方法處理愈傷組織，再由愈傷組織經(jīng)再分化形成突變植株。 (4)若要獲得水稻的“人工種子”，則應(yīng)選用圖中的胚狀體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與正常受精卵形成的胚有類似的結(jié)構(gòu)和發(fā)育過程。 (5)D為植物體細胞雜交的過程，②過程常用的物理方法有離心、振動、電激等；經(jīng)融合處理后，已經(jīng)融合的細胞類型有3種(只考慮兩兩融合)：胡蘿卜—胡蘿卜融合細胞、羊角芹—羊角芹融合細胞和胡蘿卜—羊角芹融合細胞。 【答案】　(1)花藥離體培養(yǎng)　抑制細胞有絲分裂過程中紡錘體的形成 (2)B過程中形成的是胚狀體，而C過程形成的是叢芽　細胞分裂素與生長素的比值 (3)愈傷組織 (4)胚狀體　胚 (5)離心、振動、電激　3 1．通過植物組織培養(yǎng)技術(shù)繁育農(nóng)作物，其優(yōu)點不包括(　　) A．加快繁育速度　　　 B．保持親本優(yōu)良性狀 C．培育出無病毒植株 D．改變植物的基因型 【解析】　植物組織培養(yǎng)技術(shù)不僅可以保持優(yōu)良親本的遺傳特性，還可以高效快速地實現(xiàn)種苗的大量繁殖，A、B兩項均正確；利用該技術(shù)還可以培育脫毒苗，因為選材部位是植物分生區(qū)附近的新生組織，沒有或極少感染病毒，所以由培育的脫毒苗長成的植株是無病毒植株，C項正確；經(jīng)該技術(shù)培育的植株跟親本基因型相同，D項錯誤。 【答案】　D 2．下列屬于植物細胞工程實際應(yīng)用的是(　　) ①制備水稻的人工種子　②培育抗鹽堿的煙草?、叟嘤瓜x棉?、芘嘤龁斡?號煙草?、萆a(chǎn)四倍體草莓?、迯囊吧藚⒓毎麅?nèi)提取人參皂甙干粉?、吲嘤裏o子西瓜　⑧生產(chǎn)脫毒馬鈴薯?、峁S化生產(chǎn)紫杉醇 A．①②③⑤⑧⑨ B．①②④⑧⑨ C．①②③④⑧⑨ D．①②③④⑤⑥⑦⑧⑨ 【解析】　植物細胞工程的核心技術(shù)是植物組織培養(yǎng)，其在生產(chǎn)上的每一項實際應(yīng)用都是利用的植物組織培養(yǎng)技術(shù)。所以，只要分析這幾個實例有沒有涉及植物組織培養(yǎng)技術(shù)即可。①利用的是組織培養(yǎng)中的胚狀體；②指的是組織培養(yǎng)中的愈傷組織細胞經(jīng)誘變后發(fā)育成的突變體；③雖然是轉(zhuǎn)基因技術(shù)，但也用到植物組織培養(yǎng)技術(shù)；④指的是單倍體育種；⑤⑦均屬于多倍體育種，不涉及組織培養(yǎng)；⑥不涉及植物組織培養(yǎng)；⑧是利用組織培養(yǎng)生產(chǎn)脫毒苗；⑨是細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)，涉及植物組織培養(yǎng)。 【答案】　C 3．下圖為植物組織培養(yǎng)的基本過程，若制作人工種子，生產(chǎn)治療燙傷、割傷的藥物——紫草素，應(yīng)分別選用編號(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：72240022】 ①②③―→④ A．④② B．③② C．③④ D．④③ 【解析】　人工種子是指已分化的胚狀體等用合適的“人工種皮”進行包裹，所以應(yīng)為再分化后的③；而獲取產(chǎn)物紫草素則培養(yǎng)到具有產(chǎn)生此物質(zhì)的細胞群體②即可，無須獲得植株。 【答案】　B 4．人工種子是人們模仿天然種子的結(jié)構(gòu)制造出來的生命有機體，它能像種子一樣萌發(fā)生長，長成植物。人工種子的核心部件是個被外層物包埋的具有類似于胚功能的胚狀體。將胚狀體包埋在一個能提供營養(yǎng)的膠質(zhì)中，便成了所謂的“人工種子”。 (1)人工種子依據(jù)的原理是_________________________________________， 培育胚狀體利用了___________________________________________技術(shù)。 (2)包埋胚狀體的膠質(zhì)可看作自然種子的哪部分結(jié)構(gòu)？ _______________________________________________________________。 (3)如果外植體是植物的莖尖，通過①的處理可使細胞彼此分離，①過程中可加入(　　) A．蛋白酶 B．淀粉酶 C．果膠酶 D．胰蛋白酶 (4)②過程表示脫分化過程，其實質(zhì)是____________________；③表示再分化過程，其實質(zhì)是____________________。 (5)由人工種子萌發(fā)成的植株是否可育？_____________________________。 【解析】　(1)人工種子能發(fā)育成完整植株，說明其細胞內(nèi)含有個體發(fā)育所需要的全套遺傳物質(zhì)，因此依據(jù)的原理是細胞的全能性，人工種子是經(jīng)過植物組織培養(yǎng)技術(shù)得到的。 (2)包裹胚狀體的膠質(zhì)有保護胚狀體的作用，同時又可以為胚狀體提供營養(yǎng)物質(zhì)，所以可看成種皮及胚乳或子葉。 (3)使植物細胞彼此分離可以使用纖維素酶和果膠酶，因為植物細胞壁的主要成分是纖維素和果膠。 (4)脫分化的實質(zhì)是使細胞恢復(fù)分裂能力，而再分化的實質(zhì)是基因的選擇性表達。 (5)人工種子是否可育取決于培育胚狀體所用的材料。 【答案】　(1)植物細胞的全能性　植物組織培養(yǎng) (2)種皮及提供營養(yǎng)的胚乳或子葉 (3)C (4)使細胞恢復(fù)分裂能力　基因的選擇性表達 (5)不一定 課堂小結(jié)： 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 核心回扣 1.微型繁殖實際是一種無性繁殖，能保證親子代遺傳特性不變。 2.人工種子是由人工種皮、胚狀體和人工胚乳三部分組成的。 3.在植物育種上，單倍體經(jīng)過染色體加倍，可以使后代迅速純合，縮短育種年限。 4.單倍體育種和多倍體育種均需要用秋水仙素誘導(dǎo)染色體數(shù)目加倍。