第一章

發(fā)酵工程2.1.2植物細胞工程的應用選擇性必修三溫故·知新接種外植體誘導愈傷組織誘導生芽誘導生根脫分化再分化植物組織培養(yǎng)技術(shù)移栽成活A細胞B細胞A原生質(zhì)體B原生質(zhì)體正在融合的原生質(zhì)體雜種細胞愈傷組織雜種植株移栽后的植株去壁去壁融合再生出細胞壁脫分化再分化移栽植物體細胞雜交技術(shù)溫故·知新一、植物繁殖的新途徑資料1：蘭花因高雅美麗而深受人們喜愛。蘭花常用分根法和種子進行繁殖。在蘭花的常規(guī)繁殖中，遇到難題是：用分根法繁殖速度緩慢，不利于新品種的推廣；用種子繁殖又很困難，因為蘭花種子十分微小，胚很纖弱，種子幾乎無儲藏營養(yǎng)物質(zhì)，在發(fā)芽過程中很易夭折。一、植物繁殖的新途徑資料2：20世紀60年代，荷蘭科學家成功地利用組織培養(yǎng)技術(shù)來培育蘭花。目前，荷蘭的蘭花生產(chǎn)已經(jīng)發(fā)展成為舉世聞名的蘭花產(chǎn)業(yè)，每年為荷蘭創(chuàng)造了巨額的外匯收入。在我國，組織培養(yǎng)技術(shù)也已經(jīng)廣泛用于蘭花種苗的規(guī)?；敝?，這使得名貴蘭花的價格大幅下降，普通百姓也能購買和觀賞。（1）快速繁殖技術(shù)（微型繁殖技術(shù)）：用于快速繁殖優(yōu)良品種的植物組織培養(yǎng)技術(shù)，被稱為植物的快速繁殖技術(shù)，也叫微型繁殖技術(shù)。（2）過程：外植體脫分化愈傷組織再分化根、芽完整植株試管苗1.快速繁殖（5）原理：①高效、快速地實現(xiàn)種苗的大量繁殖；②無性繁殖，親、子代細胞DNA相同，所以可以保持優(yōu)良的遺傳特性；③不受自然生長季節(jié)的限制，培養(yǎng)周期短；（6）優(yōu)點：植物細胞的全能性④選材少，繁殖率高，便于自動化管理。1.快速繁殖（3）生殖方式：一般為無性生殖（4）細胞分裂方式：有絲分裂（7）實例：一些優(yōu)良的觀賞植物、經(jīng)濟林木、無性繁殖作物和瀕危植物等。甘蔗、桉樹和鐵皮石斛等試管苗的生產(chǎn)，已形成一定規(guī)模。1.快速繁殖鐵皮石斛桉樹苗甘蔗

運用組織培養(yǎng)的途徑，一個單株一年可以繁殖幾萬到幾百萬個植株，而且均來自單一的個體，可以保持優(yōu)良品種的遺傳特性。

例如，一株葡萄一年繁殖到3萬多株，一株蘭花一年繁殖到400萬株。1.快速繁殖鐵皮石斛：蘭科石斛屬植物，莖直立，圓柱形，花期3-6月，生于1600m左右的山地半陰濕的巖石上，主要分布于中國安徽、浙江、福建等地。鐵皮石斛：富含某些糖類和生物堿，可以用來提取藥物。其莖入藥，鐵皮石斛有滋陰潤肺、養(yǎng)胃生津、健腦名目、補五肺之虛勞的神奇功效，鐵皮石斛對增加免疫力、抗衰老、防治癌癥、治療糖尿病等有著確切療效，對煙酒過度、勞累過度、用眼用腦過度、聲帶嘶啞等恢復有特殊療效。鐵皮石斛的產(chǎn)業(yè)化育苗【思考】植物組織培養(yǎng)可以進行快速繁殖的原因是什么？植物組織培養(yǎng)到愈傷組織階段，細胞進行旺盛、快速的有絲分裂，從而獲得大量的組織細胞。不斷地對愈傷組織進行分割、移瓶、誘導再分化就可以形成大量的新植株。植物組織培養(yǎng)在實驗室進行，一般不受季節(jié)、氣候等條件的限制。生姜是藥食兩用的經(jīng)濟作物，在生產(chǎn)上長期采用無性繁殖，容易感染多種病毒病，使生姜品質(zhì)變差，葉子皺縮，生長緩慢，一般減產(chǎn)30%-50%。病毒引起的植物病害有500多種。受害植物包括糧食作物、蔬菜、果樹和花卉等。而且沒有有效的防治辦法，只能拔除，造成經(jīng)濟損失。病毒多集中在種子、老葉等器官中，在幼嫩的器官和未成熟的組織中較少，在分生區(qū)幾乎不含病毒。2.作物脫毒（1）培育脫毒苗的原因：長期進行無性繁殖的作物，感染的病毒很容易傳給后代，病毒在作物體內(nèi)逐年積累，會導致作物產(chǎn)量降低、品質(zhì)變差。（2）選材部位：①植物頂端分生區(qū)附近（如莖尖）。②選材原因：分生區(qū)附近的病毒極少，甚至無病毒。2.作物脫毒莖尖植物頂端分生區(qū)被病毒感染脫毒馬鈴薯葉片（3）方法：切取一定大小的莖尖進行組織培養(yǎng)，再生的植株就有可能不帶病毒，從而獲得脫毒苗（莖尖組織培養(yǎng)技術(shù)）。（4）優(yōu)點：脫毒作物的產(chǎn)量和品質(zhì)明顯優(yōu)于沒有脫毒的作物。2.作物脫毒（5）實例：馬鈴薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠蘿、香蕉等作物上獲得成功。脫毒草莓普通草莓通過組織培養(yǎng)技術(shù)獲得的脫毒苗是否具有抗病毒能力？注意：脫毒苗≠抗毒苗。與快速繁殖相比較，二者無本質(zhì)區(qū)別，只是取材部位不同。脫毒苗是選擇植物的莖尖進行組織培養(yǎng)而獲得的，只是體內(nèi)不含病毒，不能抵抗病毒侵染，屬于細胞工程的范疇；抗毒苗是把某抗病基因?qū)胫参锛毎?，屬于基因工程的范疇?？苟久纾嚎共』驅(qū)胫参锛毎参锝M織培養(yǎng)完整植株現(xiàn)有純合的高稈抗病小麥（DDTT）和矮稈感病小麥（ddtt），怎樣盡快得到純合的矮稈抗病的優(yōu)良品種（ddTT）并留種？你能想到幾種育種方法？用遺傳圖解表示出來。思考·討論方法一：雜交育種第1年第2年第3~6年矮稈抗病P高桿抗病DDTT×矮桿感病ddttF1高桿抗病DdTtF2D__T__D__ttddT__ddtt矮稈抗病純種ddTT雜交自交選種多次自交選種優(yōu)良性狀的純合子某一年生植物甲和乙是具有不同優(yōu)良性狀的品種，單個品種種植時均正常生長。欲獲得兼具甲乙優(yōu)良性狀的品種，科研人員進行雜交實驗，發(fā)現(xiàn)部分F1植株在幼苗期死亡。已知該植物致死性狀由非同源染色體上的兩對等位基因（A/a和B/b）控制，品種甲基因型為aaBB，品種乙基因型為__bb。回答下列問題:（1）品種甲和乙雜交，獲得優(yōu)良性狀F1的育種原理是___________。（2）為研究部分F1植株致死的原因，科研人員隨機選擇10株乙，在自交留種的同時，單株作為父本分別與甲雜交，統(tǒng)計每個雜交組合所產(chǎn)生的F1表現(xiàn)型，只出現(xiàn)兩種情況，如下表所示。基因重組a①該植物的花是兩性花，上述雜交實驗，在授粉前需要對甲采取的操作是___________、___________。②根據(jù)實驗結(jié)果推測，部分F1植株死亡的原因有兩種可能性:其一，基因型為A_B_的植株致死；其二，基因型為___________的植株致死。③進一步研究確認，基因型為A_B_的植株致死，則乙-1的基因型為___________。去雄套袋aaBbAAbb（3）要獲得全部成活且兼具甲乙優(yōu)良性狀的F1雜種，可選擇親本組合為:品種甲（aaBB）和基因型為___________的品種乙，該品種乙選育過程如下:第一步:種植品種甲作為親本第二步:將乙-2自交收獲的種子種植后作為親本，然后___________統(tǒng)計每個雜交組合所產(chǎn)生的F1表現(xiàn)型。選育結(jié)果:若某個雜交組合產(chǎn)生的F2全部成活，則___________的種子符合選育要求。aabb用這些植株自交留種的同時，單株作為父本分別與母本甲雜交對應父本乙自交收獲配子DTDtdTdtDDTTDDttddTTddtt矮桿抗病純種DDTTddttDdTt高桿抗病矮桿感病DTDtdTdt方法二：單倍體育種單倍體幼苗正常植株P(guān)F1第1年第2年雜交×秋水仙素處理花藥離體培養(yǎng)正常物種二倍體單倍體（含1個染色體組）正常物種四倍體單倍體（含2個染色體組）123451234512345123451234512345123451234512345二、作物新品種的培育1.單倍體育種注意：由生殖細胞直接發(fā)育而來，無論體細胞中含有幾個染色體組都稱為單倍體。（1）單倍體①概念：生物體細胞中染色體數(shù)目與本物種配子染色體數(shù)目相同的個體，即由配子（精子或卵細胞）直接發(fā)育而來的個體。蜂王（雌性）工蜂（雌性）雄蜂（體細胞中32條染色體）（體細胞中32條染色體）（體細胞中16條染色體）單倍體實例—蜜蜂工蜂(2n=32)（♀性腺未發(fā)育）雄蜂（n=16）精子（n=16）受精卵（2n=32）卵細胞（n=16）蜂王(2n=32)（♀性腺發(fā)育成熟）減數(shù)分裂假減數(shù)分裂工蜂(2n=32)（只吃3天蜂王漿）蜂王(2n=32)（一直吃蜂王漿）不受精直接發(fā)育單倍體實例—蜜蜂測量株高收獲的果穗細胞學鑒定N=10單倍體玉米1.單倍體育種（1）單倍體②特點：植株弱小，一般高度不育。①概念：通過花藥（或花粉）培養(yǎng)獲得單倍體植株，然后經(jīng)過誘導染色體加倍，當年就能培育出遺傳性狀相對穩(wěn)定的純合二倍體植株。（2）單倍體育種②原理：染色體數(shù)目變異、植物細胞的全能性1.單倍體育種（2）單倍體育種1.單倍體育種③過程：花藥或花粉單倍體植株正常純合二倍體人工誘導染色體加倍愈傷組織選擇親本有性雜交F1代脫分化離體培養(yǎng)再分化④方法：花藥（花粉）離體培養(yǎng)+人工誘導染色體加倍人工誘導染色體加倍：低溫或秋水仙素處理抑制有絲分裂前期紡錘體的形成，導致染色體不能移向細胞的兩極，從而引起細胞內(nèi)染色體數(shù)目加倍。優(yōu)良純種脫分化單倍體植株純合二倍體人工誘導染色體加倍選擇再分化花藥花粉P有性雜交F1單倍體育種的流程×Ⅰ.后代都是純合子，能穩(wěn)定遺傳；（2）單倍體育種1.單倍體育種⑤優(yōu)點：Ⅱ.極大地縮短了育種的年限，節(jié)約大量的人力和物力；Ⅲ.單倍體育種得到的植株隱性性狀容易顯現(xiàn)，是體細胞誘變育種和研究遺傳突變的理想材料。Ⅰ.我國科學家在1974年成功培育出世界上第一個單倍體作物新品種——單育1號煙草。⑥實例Ⅱ.我國科學家把單倍體育種與常規(guī)育種結(jié)合起來，育成水稻、玉米、油菜、甘藍和甜椒等作物的新品種。（1）突變體：在植物組織培養(yǎng)過程中，由于培養(yǎng)細胞一直處于不斷增殖的狀態(tài)，因此容易受到培養(yǎng)條件和誘變因素（如射線、化學物質(zhì)等）的影響而產(chǎn)生突變。從產(chǎn)生突變的個體中可以篩選出對人們有用的突變體，進而培育成新品種。二、作物新品種的培育2.突變體的利用（2）誘變常用材料：愈傷組織、單倍體育種獲得的隱性純合體（3）原理：突變（基因突變或染色體變異）、植物細胞的全能性。（4）過程：二、作物新品種的培育2.突變體的應用誘變處理新品種愈傷組織再分化外植體脫分化篩選培育突變體愈傷組織細胞不斷分裂，細胞要進行DNA分子復制，因此更易發(fā)生突變?！舅伎肌繛槭裁磳τ鷤M織進行誘變處理？2.突變體的利用（5）優(yōu)點：提高突變率，加速育種進程；大幅度地改良某些性狀。（6）缺點：二、作物新品種的培育突變具有不定向性和低頻性，有利性狀個體比較少，因此需要處理大量突變材料，并從中篩選出符合人們需要的品種?！舅伎肌慨a(chǎn)生的突變體一定符合需要嗎？不一定，因為突變是不定向的。2.突變體的利用抗鹽堿的煙草（7）實例：二、作物新品種的培育已篩選出抗病、抗鹽、高產(chǎn)以及蛋白質(zhì)含量高的突變體，如抗花葉病毒的甘蔗、抗鹽堿的煙草等已經(jīng)用于生產(chǎn)?？够ㄈ~病毒的甘蔗1.植物代謝及代謝產(chǎn)物（1）初生代謝及初生代謝物①初生代謝：是生物生長和生存所必需的代謝活動，在整個生命過程中一直進行著初生代謝。三、細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)②初生代謝物：糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸等。1.植物代謝及代謝產(chǎn)物（2）次生代謝及次生代謝物①次生代謝：②次生代謝物：一類小分子有機化合物（如酚類、萜類和含氮化合物等）。三、細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)③應用：不是生物生長所必需的，一般在在特定的組織或器官中，并在一定的環(huán)境和時間條件下才進行的。Ⅰ.在植物的抗蟲、抗病等方面發(fā)揮作用；Ⅱ.很多藥物、香料和色素等的重要來源。Ⅰ.植物細胞次生代謝物含量很低，從植物組織提取會大量破壞植物資源；Ⅱ.有些產(chǎn)物不能或難以通過化學合成途徑得到。1.植物代謝及代謝產(chǎn)物（2）次生代謝及次生代謝物三、細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)④應用中面臨的問題應用多、產(chǎn)量低課堂篇探究學習2.細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)三、細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)（1）概念：利用植物細胞培養(yǎng)來獲得目標產(chǎn)物，這個過程就是細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)。（2）植物細胞培養(yǎng)①概念：在離體條件下對單個植物細胞或細胞團進行培養(yǎng)使其增殖的技術(shù)。課堂篇探究學習外植體脫分化愈傷組織細胞懸液細胞產(chǎn)物培養(yǎng)、提取、破碎振蕩分散②過程：三、細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)（2）植物細胞培養(yǎng)注意：Ⅰ.一般培養(yǎng)到愈傷組織階段，從愈傷組織的細胞中獲得細胞產(chǎn)物。因為此時細胞分裂能力強，代謝快，產(chǎn)物多；（液體培養(yǎng)基）Ⅱ.液體培養(yǎng)基（培養(yǎng)液）有利于培養(yǎng)的細胞與營養(yǎng)物質(zhì)充分接觸。③優(yōu)點：快速高效，不占用耕地，幾乎不受季節(jié)、天氣等的限制。④意義：對于社會、經(jīng)濟、環(huán)境保護具有重要意義。（2）植物細胞培養(yǎng)（3）實例①紫草寧：紫草細胞中提取的一種藥物和色素，具有抗菌、消炎、抗腫瘤等活性，世界上首例藥用植物細胞工程產(chǎn)品。紫草→紫草寧（3）實例②紫杉醇：紅豆杉屬植物（瀕危植物）體內(nèi)產(chǎn)生一種次生代謝產(chǎn)物。具有高抗癌活性，已被廣泛用于乳腺癌等癌癥的治療。紅豆杉→紫杉醇（3）實例③我國在人參、三七等植物細胞的大規(guī)模培養(yǎng)領(lǐng)域取得了很大的進展，實現(xiàn)了利用人參細胞培養(yǎng)來生產(chǎn)人參中重要的活性成分——人參皂苷。人參課堂篇探究學習脫分化培養(yǎng)選擇破碎細胞放入發(fā)酵罐工廠化生產(chǎn)人參皂苷干粉的基本流程人參根愈傷組織增長速度快且人參皂苷含量高的細胞細胞增殖人參皂苷粉用于植物細胞培養(yǎng)的反應器“手指植物”通常培育在裝有彩色固體培養(yǎng)基的小玻璃瓶中，只要保證充足的光照和適宜的溫度，不需要額外補充水分和營養(yǎng)物質(zhì)，它們就能在玻璃瓶中生長三四個月之久?！笆种钢参铩钡闹谱鞣椒ㄓ玫搅酥参锝M織培養(yǎng)技術(shù)。在制作過程中，一定要注意做好滅菌和消毒工作，為了防止污染可在培養(yǎng)基中加入一定量的抑菌劑。另外，還可以根據(jù)個人喜好，在培養(yǎng)基中加入適量的色素或者熒光劑，使“手指植物”更具有觀賞價值。到社會中去歸納總結(jié)：植物組織培養(yǎng)和植物細胞培養(yǎng)的比較比較項目植物組織培養(yǎng)植物細胞培養(yǎng)目的原理過程應用獲得植物體獲得細胞產(chǎn)物植物細胞的全能性細胞增殖快速繁殖、作物脫毒、單倍體育種等細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)，如紫草寧、人參皂苷、紫杉醇等歸納總結(jié)：四種育種方法的比較育種方法原理主要過程優(yōu)點快速繁殖突變體的利用單倍體育種植物體細胞雜交植物細胞的全能性脫分化、再分化保持優(yōu)良品種的遺傳特性突變、植物細胞的全能性對愈傷組織進行誘變處理后再篩選提高突變率，獲得優(yōu)良性狀染色體數(shù)目變異、植物細胞的全能性花藥（花粉）離體培養(yǎng)、人工誘導染色體數(shù)目加倍明顯縮短育種年限細胞膜的流動性、植物細胞的全能性原生質(zhì)體融合、雜種細胞組織培養(yǎng)打破生殖隔離，實現(xiàn)遠緣雜交1.運用植物細胞工程技術(shù)可以培育單倍體植株和進行細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)。判斷下列相關(guān)表述是否正確。（1）用花藥培養(yǎng)得到單倍體植株需要用到植物組織培養(yǎng)技術(shù)。（）（2）細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)主要是利用促進細胞生長的培養(yǎng)條件，提高了單個細胞中次生代謝物的含量。（）√×練習與應用（P42）一、概念檢測2.生產(chǎn)中培育香蕉脫毒苗常用的方法是（）A.人工誘導基因突變B.選擇優(yōu)良品種進行雜交C.進行遠緣植物體細胞雜交D.取莖尖分生組織進行組織培養(yǎng)D練習與應用（P42）一、概念檢測1.紫色非甜玉米（基因型為AASuSu）和白色甜玉米（基因型為aasusu）雜交（Su和su代表一對等位基因），得到的F1（AaSusu）再進行自交，F(xiàn)2會有紫色甜玉米的表型產(chǎn)生。如果運用常規(guī)育種方法，應該如何篩選出純合的紫色甜玉米（AAsusu）？如果利用花藥培養(yǎng)的技術(shù)，又應該怎樣做呢？請你設(shè)計相關(guān)實驗的思路。練習與應用（P42）二、拓展應用提示：F2中的紫色甜玉米的基因型可能為Aasusu或AAsusu。如果運用常規(guī)育種方法，將F2中的紫色甜玉米與白色甜玉米（aasusu）進行測交，可以選擇出基因型為AAsusu的純種紫色甜