高中生物苏教版 (2019)选择性必修3 生物技术与工程第二节 植物细胞工程的应用学案设计
展开一、植物组织培养技术的应用
1.人工种子
(1)概念: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,在适宜的条件下能够生根发芽的颗粒体。
(2)基本构成:人工种皮、人工胚乳(主要成分包括无机盐、糖类和蛋白质等)、胚状体。
(3)优点:①制种快,而且制种不受季节限制。
②人工胚乳可提供更好的营养供应,还可提供相应成分增强抵抗疾病的能力。
2.快速繁殖
(1)概念:在进行植物组织培养的过程中,幼苗在实验室的培养瓶中生长发育,又被称为“微型繁殖技术”。
(2)特点:①保持优良植物品种的遗传特性。
②实现种苗的快速繁殖。
③在人工控制下进行的工厂化生产,不受季节和恶劣天气的影响。
3.培育脱毒植物
(1)原理:植物生长点部位的病毒浓度很低,甚至无病毒。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。
(2)选材:茎尖、花药等。
(3)植物脱毒方法
eq \x(物理方法)eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(\x(热疗法:一些病毒对热不稳定),\x(冷疗法:降低温度,使病毒活力下降)))
化学方法:嘌呤和嘧啶类似物或抗生素等化学药品处理,抑制植物体内病毒的复制。
4.种质保存
(1)方法:在液氮中超低温保存。
(2)原理: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。
(3)保存材料:植物的悬浮细胞、愈伤组织或胚状体、原生质体、花粉、幼胚、芽或茎尖分生组织。
(4)优势:比保存植物的种子更为有利和经济,还能在需要的时候迅速且大量地繁殖植物。
二、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)原理:植物生长到一定阶段后,会通过代谢合成一些物质,利用工业化手段培养植物细胞可以获得大量细胞代谢产物。
(2)应用
①从植物细胞培养中获得了许多重要的细胞代谢产物,并产生了巨大的社会效益和经济效益。
②植物细胞培养技术成为工业化生产相关植物产品的一条有效途径。
③植物细胞培养技术还可以用于农副业生产。
(3)优点:快速、高效,不受季节、环境等条件的限制。
2.单倍体育种
(1)育种思路
先通过培育小孢子,获得单倍体植株幼苗,再诱导其染色体数目加倍,从而获得纯合二倍体植株。
(2)育种过程
(3)优点:①大大缩短育种的年限。②获得具有稳定遗传特性的优良品种。
(正确的打“√”,错误的打“×”)
1.葡萄的扦插、桃树的嫁接、石榴的压条繁殖方式都属于微型繁殖。( )
× 提示:题述繁殖方式属于无性繁殖,不属于微型繁殖。微型繁殖是指用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。
2.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。( )
× 提示:培育脱毒苗时选用的通常是茎尖等分生组织,原因是该组织附近的病毒浓度很低甚至无病毒。
3.单倍体育种和突变体培育的遗传学原理是一致的。( )
× 提示:单倍体育种的原理是染色体变异和植物细胞的全能性,突变体育种的原理是基因突变和植物细胞的全能性。
4.工厂化生产的细胞产物一般来自愈伤组织细胞。( )
[答案] √
植物繁殖的新途径
1.微型繁殖
(1)实质:植物组织培养。
(2)原理:植物细胞的全能性。
(3)优点
①能保持亲本的一切优良性状,子代个体的遗传物质与亲本相同。
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,有利于进行工厂化生产。
2.作物脱毒
(1)进行作物脱毒的原因
植物病毒一般是通过损伤部位入侵植物体的。侵入植物体的病毒在细胞中会大量增殖并感染相邻的细胞,最终扩散至整个植株。它们在植物体内的大量增殖会导致植物患病并影响产量或品质。
(2)材料的选取
植物生长点部位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。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,还可利用花药培养来实现脱毒。
合作探究:(1)植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么?
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。
(2)作物培养过程中为什么要进行作物脱毒,如何进行作物脱毒?
提示:对于无性繁殖的作物,病毒在作物体内大量增殖、扩散,就会导致作物产量降低、品质变差。而植物生长点部位的病毒很低甚至无病毒,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。
1.某株名贵花卉用种子繁殖会发生性状分离。为了防止性状分离并快速繁殖,可以利用该植株的一部分器官或组织进行离体培养,发育出完整的植株。进行离体培养时不应采用该植株的( )
A.茎尖 B.子房壁 C.叶片 D.花粉粒
D [茎尖一般没有病毒积累,分裂能力强,可作为植物组织培养的材料,A不符合题意;子房壁细胞属于体细胞,可作为植物组织培养的材料,B不符合题意;叶片细胞属于体细胞,可作为植物组织培养的材料,C不符合题意;花粉粒是经减数分裂形成的,在此过程中发生了基因重组,因而不一定能保持亲本的优良性状,D符合题意。]
2.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,结果如表所示,下列相关叙述正确的是( )
A.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.0.3~0.5 mm大小的茎尖最有利于获得抗病毒的特性
A [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;0.3~0.5 mm大小的茎尖最有利于获得无病毒的特性,不是抗病毒的特性,D错误。]
单倍体育种和植物细胞代谢产物的工厂化生产
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
eq \x(\a\al(花药离体,培养))eq \(――→,\s\up10(脱分化))eq \x(\a\al(愈伤,组织))eq \(――→,\s\up10(再分化))eq \x(\a\al(单倍体,植株))eq \(――――→,\s\up10(染色体),\s\d10(加倍))eq \x(\a\al(正常,植株))
(3)优点:明显缩短育种年限,后代不发生性状分离。
2.植物细胞代谢产物的工厂化生产
(1)过程
eq \x(外植体)eq \(――→,\s\up10(脱分化))eq \x(\a\al(愈伤,组织))eq \(――→,\s\up10(分散开))eq \x(细胞悬液)eq \(――→,\s\up10(发酵),\s\d10(提取))eq \x(\a\al(细胞,产物))
(2)实例:工厂化生产紫草宁。
eq \x(\a\al(紫草,细胞))eq \(――→,\s\up10(脱分化))eq \x(\a\al(愈伤,组织))eq \(――→,\s\up10(培养))eq \x(\a\al(选择增殖速度快且细胞,内紫草宁含量高的细胞))eq \(――→,\s\up10(扩大),\s\d10(培养))eq \x(大量细胞)eq \(――→,\s\up10(提取))eq \x(紫草宁)
(3)优点:提高生产速度、便于操作管理。
合作探究:(1)花药离体培养获得的单倍体幼苗如何诱导染色体加倍?原理是什么?
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。
(2)试分析人工种子与单倍体育种的区别与联系。
提示:人工种子采用的是微型繁殖技术,只要培育得到胚状体,然后包上人工种皮和人工胚乳即可。人工种子与微型繁殖得到的幼苗一样,都能保持亲本的优良性状。单倍体育种的优点是得到的植株能稳定遗传,明显缩短育种年限。单倍体育种从本质上说属于有性生殖。单倍体育种首先要进行花药离体培养,采用的也是微型繁殖技术。
1.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:
eq \a\vs4\al(高秆抗锈病, ×,矮秆易染锈病)eq \(――→,\s\up10(①))F1eq \(――→,\s\up10(②))雄配子eq \(――→,\s\up10(③))幼苗eq \(――→,\s\up10(④))eq \a\vs4\al(选出符合,要求的品种)
下列有关此种育种方法的叙述,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
C [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。]
2.如图为植物繁殖的几种人工方法示意图,请据图回答下列问题:
(1)图中单倍体植株通常的获取方法是_______________________________
___________________________________________________________________。
若图中单倍体植株体细胞中有2个染色体组,植株A体细胞中有4个染色体组,则②过程所用化学试剂的作用是______________。
(2)图中植株B和植株C的培育过程的不同点是______________________,这种不同主要的决定因素是__________________________。
(3)若想在植物组织培养的过程中获得突变体,进而培育成新品种植株,应用物理诱变或化学诱变的方法处理________________________。
(4)若要获得玉米的人工种子,则应选用图中的________结构,该结构与正常受精卵形成的________________有类似的结构和发育过程。
[解析] (1)获得单倍体植株常用的方法是花药离体培养;常用秋水仙素处理单倍体幼苗,使其染色体加倍。秋水仙素的作用机理是抑制纺锤体的形成。(2)植株B的培育过程中,愈伤组织经诱导形成胚状体,进而发育成植株;而植株C的培育过程中,愈伤组织经诱导形成丛芽,进而发育成植株。这种不同取决于培养基中生长素和细胞分裂素的含量比。(3)若要获得突变体,应对愈伤组织进行诱变处理,因愈伤组织处于分生状态,进行旺盛的DNA复制,易诱发突变。(4)人工种子由胚状体包裹人工种皮得到,胚状体具有生根发芽能力,类似于由受精卵形成的胚。
[答案] (1)花药离体培养 抑制纺锤体的形成 (2)植株B的培育过程中形成的是胚状体,而植株C的培育过程中形成的是丛芽 培养基中细胞分裂素与生长素的含量比 (3)愈伤组织 (4)胚状体 胚
[课堂小结]
1.通过植物组织培养技术繁育农作物,其优点不包括( )
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
D [植物组织培养技术不仅可以保持优良亲本的遗传特性,还可以高效快速地实现种苗的大量繁殖,A、B项均正确;利用该技术还可以培育脱毒苗,因为选材部位是植物生长点部位的组织,病毒浓度很低甚至无病毒,所以由培育的脱毒苗长成的植株是无病毒植株,C项正确;经该技术培育的植株跟亲本基因型相同,D项错误。]
2.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.利用茎尖进行组织培养
D.人工诱导基因突变
C [茎尖部位没有维管束,病毒难以侵染,几乎不含病毒,可以通过组织培养茎尖获得脱毒苗。]
3.下图表示优质玉米的培育过程,请据图判断下列说法中错误的是( )
A.B→E过程中细胞全能性的高低发生了改变
B.C试管中形成的是没有特定形态、结构和功能的薄壁细胞
C.植株F一般不能直接应用于扩大种植
D.植株A和F体细胞中的染色体组数相同
D [B→C为脱分化过程,该过程中细胞的全能性增大,C→E为再分化过程,该过程中细胞的全能性降低,A正确;C试管中形成的是愈伤组织,愈伤组织由没有特定形态、结构和功能的薄壁细胞组成,B正确;F为单倍体植株,高度不育,因此一般不能直接应用于扩大种植,C正确;A是正常的二倍体植株,而F是花药离体培养获得的单倍体植株,两者体细胞中的染色体组数不同,D错误。]
4.许多植物的组织培养物可在液氮中超低温保存,下列关于种质保存的说法错误的是( )
A.植物细胞的全能性是种质保存的理论基础
B.种质保存后仍能保持较高存活率及原来的遗传特性
C.超低温保存的材料比较单一,主要是愈伤组织或胚状体
D.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
C [超低温保存的植物材料,可以是植物的悬浮细胞,也可以是愈伤组织或胚状体,还包括原生质体、花粉、幼胚、芽或茎尖分生组织等。]
5.应用植物组织培养技术,不仅可实现种苗的快速繁殖,培育无病毒植株,也可加快作物及苗木育种。下面是培育柑橘耐盐植株的实验流程,请回答下列问题。
茎段→eq \a\vs4\al(愈伤,组织)eq \(――――――――――――→,\s\up10(先用γ射线照射),\s\d10(后在培养基中加入物质X))eq \a\vs4\al(挑选生,长的愈,伤组织)→eq \a\vs4\al(耐盐,植株)
(1)愈伤组织是由离体的茎段经________过程形成的,此时愈伤组织细胞________(填“具有”或“不具有”)细胞的全能性。
(2)对愈伤组织进行了两次处理,其中γ射线照射的目的是______________,用γ射线不直接处理茎段而是处理愈伤组织,原因是__
___________________________________________________________________;
在培养基中添加的物质X为________。
(3)植物组织培养技术也被广泛应用于其他作物的育种中。在培育的白菜—甘蓝、三倍体无子西瓜以及农杆菌转化法获得的抗虫棉中,必须用到植物组织培养技术的是________________________。
[解析] (1)离体的茎段经过脱分化过程可形成愈伤组织,此时愈伤组织具有未分化的特点,细胞依然具有较高的全能性。(2)图中对愈伤组织进行了两次处理,第一次处理是用γ射线照射诱发愈伤组织细胞发生基因突变。愈伤组织细胞分裂能力强,易受到培养条件和外界环境的影响而发生基因突变。第二次处理是抗盐接种实验,即在培养基中加入NaCl(或盐),适应一定浓度盐的愈伤组织才可以生长,不适应的愈伤组织死亡。(3)作物育种研究中常用农杆菌转化法将含抗虫基因的Ti质粒导入植物体细胞中,再利用植物组织培养技术获得抗虫的农作物。运用植物体细胞杂交技术培育白菜—甘蓝杂种植株,需要采用植物组织培养技术将杂种细胞培养成杂种植株。
[答案] (1)脱分化 具有 (2)诱发基因突变 愈伤组织细胞分裂能力强,易诱发基因突变 NaCl(或盐) (3)白菜—甘蓝、抗虫棉
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。
科学思维:理解植物细胞工程的应用实例中所涉及的技术操作及原理。
社会责任:列举植物组织培养技术在生产实践中的应用,认同植物细胞工程的应用给社会带来的巨大效益。
茎尖大小
外植体数/个
分化苗数/苗
脱毒苗数/苗
小于0.3 mm
20
1
1
0.3~0.5 mm
20
10
7
大于0.6 mm
20
13
4
知 识 网 络 构 建
要 点 强 化 识 记
eq \a\vs4\al(植,物,细,胞,工,程,的,应,用)eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(植物组织培养技术的应用\b\lc\{(\a\vs4\al\c1(快速繁殖,培育脱毒植物,种质保存)),\a\vs4\al(植物细胞培养,技术的应用)\b\lc\{(\a\vs4\al\c1(植物细胞代谢产物的工厂化生产,单倍体育种))))
1.利用植物组织培养技术不仅可以保持优良植物品种的遗传特性,而且可以实现种苗的快速繁殖。
2.植物生长点部位的病毒浓度很低甚至无病毒。这是因为这些部位没有维管束,病毒难以进入。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。
3.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。
4.单倍体育种可以大大缩短育种的年限,且可以获得具有稳定遗传特性的优良品种。
5.成熟的花药由花药壁和花粉囊及其中的花粉等结构组成。经过适当的诱导,花粉囊中的花粉可发育成单倍性的胚状体或愈伤组织。
高中生物人教版 (2019)选择性必修3二 植物细胞工程的应用精品第2课时导学案: 这是一份高中生物人教版 (2019)选择性必修3<a href="/sw/tb_c4008673_t4/?tag_id=42" target="_blank">二 植物细胞工程的应用精品第2课时导学案</a>,共12页。
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