2018版高中生物 第2章 細(xì)胞工程 2.1 植物細(xì)胞工程 2.1.2 植物細(xì)胞工程的實(shí)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(xì)胞工程的實(shí)際應(yīng)用 1．簡(jiǎn)述微型繁殖技術(shù)。(重點(diǎn)) 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(diǎn)) 3．理解植物組織培養(yǎng)技術(shù)在細(xì)胞產(chǎn)物的工廠(chǎng)化生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。(重點(diǎn)) 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(diǎn) 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(wú)病毒。 (3)實(shí)例：目前采用莖尖組織培養(yǎng)技術(shù)來(lái)脫除病毒，在馬鈴薯、草莓、甘蔗、菠蘿、香蕉等主要經(jīng)濟(jì)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(guò)人工薄膜包裝得到的種子。 (2)特點(diǎn) ①后代無(wú)性狀分離。 ②不受季節(jié)、氣候和地域限制。 (3)實(shí)例：我國(guó)已成功地把芹菜、花椰菜、桉樹(shù)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(jìn)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(xì)胞進(jìn)行有絲分裂，細(xì)胞分裂速度較快，從而獲得大量的組織細(xì)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，受季節(jié)、氣候等條件限制較小。 探討：作物培養(yǎng)過(guò)程中為什么要進(jìn)行作物脫毒，如何進(jìn)行作物脫毒？ 提示：對(duì)于無(wú)性繁殖的作物，病毒在作物體內(nèi)逐年積累，就會(huì)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(wú)病毒，因此切取一定大小的莖尖進(jìn)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(yíng)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(wú)機(jī)鹽、有機(jī)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(shí)際上是一種無(wú)性繁殖，能保持親本的一切優(yōu)良性狀，這項(xiàng)技術(shù)只運(yùn)用了植物組織培養(yǎng)技術(shù)，因此該過(guò)程只涉及有絲分裂，不涉及減數(shù)分裂。 (2)優(yōu)點(diǎn)：使用材料少，培養(yǎng)周期短，繁殖率高，便于自動(dòng)化管理，有利于進(jìn)行工廠(chǎng)化培養(yǎng)。 2．作物脫毒 (1)病毒的特點(diǎn)：病毒是寄生生物，在用種子繁殖或用植物根、莖的無(wú)性繁殖過(guò)程中，種子、根、莖的細(xì)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(cè)，植物的分生區(qū)附近的病毒極少，甚至無(wú)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(duì)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(yíng)養(yǎng)成分等。 ②有利于貯藏、運(yùn)輸和萌發(fā)，選取的材料要有韌性、耐壓、對(duì)胚狀體無(wú)毒害。 ③還應(yīng)含有農(nóng)藥和殺菌劑，以防播種后害蟲(chóng)及微生物的侵害。 ④還要加入能促進(jìn)胚狀體生長(zhǎng)和發(fā)育的一些植物生長(zhǎng)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(zhǎng)，活力強(qiáng)；③形成的幼苗的形態(tài)與生長(zhǎng)要正常。 (3)制備流程：誘導(dǎo)植物愈傷組織的形成→體細(xì)胞胚的誘導(dǎo)→體細(xì)胞胚的成熟→機(jī)械化包裝→儲(chǔ)藏或種植。 1．馬鈴薯利用它的塊莖進(jìn)行無(wú)性繁殖，種植的世代多了以后往往會(huì)感染病毒而減產(chǎn)，為此農(nóng)戶(hù)都希望得到無(wú)病毒的幼苗進(jìn)行種植。獲得無(wú)病毒幼苗的最佳辦法是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：72240021】 A．選擇優(yōu)良品種進(jìn)行雜交 B．進(jìn)行遠(yuǎn)緣植物體細(xì)胞雜交 C．利用芽尖進(jìn)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(guò)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(xì)胞、離體花粉或胚囊中，通過(guò)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(xì)胞分化形成的類(lèi)似于胚的結(jié)構(gòu)物，所以，又稱(chēng)“體細(xì)胞胚”或“花粉胚”。胚狀體在一定的條件下，可以通過(guò)胚胎發(fā)育過(guò)程形成植株。將其包埋在一個(gè)能提供營(yíng)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(guó)際植物組織、細(xì)胞培養(yǎng)會(huì)議上首次提出來(lái)的。目前，我國(guó)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(guó)正著手將人工種子市場(chǎng)化、商品化。 (1)簡(jiǎn)要?dú)w納“離體的細(xì)胞”進(jìn)行植物組織培養(yǎng)獲得胚狀體的過(guò)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這是因?yàn)開(kāi)________________________。 為了滿(mǎn)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(xiě)出“人工種子”商品化的意義：_________________________________ __________________________________________________。(任填兩項(xiàng)即可) (5)培育胚狀體利用了________________這一項(xiàng)生物技術(shù)。在該過(guò)程中培養(yǎng)基中需要添加________和____________兩種激素，還需要對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行嚴(yán)格的________。 (6)該項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用，反映了植物細(xì)胞的________________________性。 【解析】　組織培養(yǎng)的過(guò)程包括脫分化和再分化兩個(gè)階段。胚狀體在萌發(fā)初期不能進(jìn)行光合作用，因此需要給其提供營(yíng)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(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素，同時(shí)要保證無(wú)菌條件。 【答案】　(1)離體的細(xì)胞愈傷組織胚狀體 (2)胚狀體在萌發(fā)初期不能進(jìn)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(xì)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(wú)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(wèn)題 (5)植物組織培養(yǎng)　生長(zhǎng)素　細(xì)胞分裂素　滅菌 (6)全能 作 物 新 品 種 的 培 育 和 細(xì) 胞 產(chǎn) 物 的 工 廠(chǎng) 化 生 產(chǎn) (一)作物新品種的培育 1．單倍體育種 (1)過(guò)程：花藥離體培養(yǎng)―→單倍體植株純合子植株。 (2)優(yōu)點(diǎn) 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(guò)程中，易受培養(yǎng)條件和外界壓力(如射線(xiàn)、化學(xué)物質(zhì)等)的影響而產(chǎn)生突變。 (2)利用：篩選出對(duì)人們有用的突變體，進(jìn)而培育成新品種。 (二)細(xì)胞產(chǎn)物的工廠(chǎng)化生產(chǎn) 1．細(xì)胞產(chǎn)物種類(lèi)：蛋白質(zhì)、脂肪、糖類(lèi)、藥物、香料、生物堿等。 2．技術(shù)：植物組織培養(yǎng)技術(shù)。 3．實(shí)例：我國(guó)利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)實(shí)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(xì)胞產(chǎn)物也都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工廠(chǎng)化生產(chǎn)。 探討：在植物組織培養(yǎng)過(guò)程中，為什么培養(yǎng)細(xì)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?yàn)榕囵B(yǎng)細(xì)胞一直處于不斷的分生狀態(tài)。 探討：?jiǎn)伪扼w育種過(guò)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(xì)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(qǐng)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(guò)程： (2)原理：生殖細(xì)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(xì)胞染色體數(shù)目加倍)。 (3)優(yōu)點(diǎn)：與雜交育種要經(jīng)過(guò)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(jìn)程。 2．突變體的利用 (1)過(guò)程： (2)原理：基因突變和植物細(xì)胞的全能性。 (3)優(yōu)點(diǎn)：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(jìn)程。 (4)缺點(diǎn) 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(xì)胞產(chǎn)物的工廠(chǎng)化生產(chǎn) (1)過(guò)程： 　　　從細(xì)胞內(nèi)提 　　　取細(xì)胞產(chǎn)物 　　　　　↑ 外植體愈傷組織胚狀體→ (2)原理：植物細(xì)胞的全能性。 (3)應(yīng)用舉例：人參皂甙、紫杉醇的工廠(chǎng)化生產(chǎn)。 (4)優(yōu)點(diǎn)：可以大量生產(chǎn)細(xì)胞產(chǎn)物，工廠(chǎng)化規(guī)模化程度高。 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(duì)相對(duì)性狀獨(dú)立遺傳。據(jù)圖分析，不正確的是(　　) A．圖中篩選過(guò)程不改變抗病基因頻率 B．過(guò)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(guò)程②可以任取一植株的適宜花藥作為培養(yǎng)材料 D．過(guò)程③包括脫分化和再分化兩個(gè)過(guò)程 【解析】　圖中篩選過(guò)程會(huì)改變抗病基因頻率，使其變大；雜交育種過(guò)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(guò)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(guò)程③包括脫分化和再分化兩個(gè)過(guò)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(qǐng)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(xì)胞含2個(gè)染色體組，A有4個(gè)染色體組，則③過(guò)程所用化學(xué)試劑的作用是_____________ ________________。 (2)圖中B和C過(guò)程的不同點(diǎn)是_______________________________，這種不同主要的決定因素是________________________。 (3)若想在C過(guò)程中獲得突變體，進(jìn)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(lèi)似的結(jié)構(gòu)和發(fā)育過(guò)程。 (5)若D為胡蘿卜—羊角芹，②過(guò)程常用的物理方法有________________等；經(jīng)融合處理后，已經(jīng)融合的細(xì)胞類(lèi)型有________________種(若融合的細(xì)胞只考慮兩兩融合)。 【解析】　本題主要考查植物細(xì)胞工程的原理和應(yīng)用。 (1)圖中A過(guò)程表示單倍體育種，獲取單倍體時(shí)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(guò)程中用秋水仙素處理幼苗，以抑制細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中紡錘體的形成過(guò)程。 (2)圖中B和C過(guò)程都是體細(xì)胞的組織培養(yǎng)，其不同點(diǎn)是B過(guò)程中形成的是胚狀體，而C過(guò)程形成的是叢芽，這種不同主要的決定因素是細(xì)胞分裂素與生長(zhǎng)素的比值。 (3)在組織培養(yǎng)過(guò)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(lèi)似的結(jié)構(gòu)和發(fā)育過(guò)程。 (5)D為植物體細(xì)胞雜交的過(guò)程，②過(guò)程常用的物理方法有離心、振動(dòng)、電激等；經(jīng)融合處理后，已經(jīng)融合的細(xì)胞類(lèi)型有3種(只考慮兩兩融合)：胡蘿卜—胡蘿卜融合細(xì)胞、羊角芹—羊角芹融合細(xì)胞和胡蘿卜—羊角芹融合細(xì)胞。 【答案】　(1)花藥離體培養(yǎng)　抑制細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中紡錘體的形成 (2)B過(guò)程中形成的是胚狀體，而C過(guò)程形成的是叢芽　細(xì)胞分裂素與生長(zhǎng)素的比值 (3)愈傷組織 (4)胚狀體　胚 (5)離心、振動(dòng)、電激　3 1．通過(guò)植物組織培養(yǎng)技術(shù)繁育農(nóng)作物，其優(yōu)點(diǎn)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(wú)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(shí)現(xiàn)種苗的大量繁殖，A、B兩項(xiàng)均正確；利用該技術(shù)還可以培育脫毒苗，因?yàn)檫x材部位是植物分生區(qū)附近的新生組織，沒(méi)有或極少感染病毒，所以由培育的脫毒苗長(zhǎng)成的植株是無(wú)病毒植株，C項(xiàng)正確；經(jīng)該技術(shù)培育的植株跟親本基因型相同，D項(xiàng)錯(cuò)誤。 【答案】　D 2．下列屬于植物細(xì)胞工程實(shí)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(chóng)棉　④培育單育1號(hào)煙草?、萆a(chǎn)四倍體草莓?、迯囊吧藚⒓?xì)胞內(nèi)提取人參皂甙干粉?、吲嘤裏o(wú)子西瓜　⑧生產(chǎn)脫毒馬鈴薯?、峁S(chǎng)化生產(chǎn)紫杉醇 A．①②③⑤⑧⑨ B．①②④⑧⑨ C．①②③④⑧⑨ D．①②③④⑤⑥⑦⑧⑨ 【解析】　植物細(xì)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(xiàng)實(shí)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(gè)實(shí)例有沒(méi)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(xì)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(xì)胞產(chǎn)物的工廠(chǎng)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(guò)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(hào)(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：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(jìn)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(xì)胞群體②即可，無(wú)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(lái)的生命有機(jī)體，它能像種子一樣萌發(fā)生長(zhǎng)，長(zhǎng)成植物。人工種子的核心部件是個(gè)被外層物包埋的具有類(lèi)似于胚功能的胚狀體。將胚狀體包埋在一個(gè)能提供營(yíng)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(guò)①的處理可使細(xì)胞彼此分離，①過(guò)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(guò)程表示脫分化過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是____________________；③表示再分化過(guò)程，其實(shí)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(shuō)明其細(xì)胞內(nèi)含有個(gè)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(xì)胞的全能性，人工種子是經(jīng)過(guò)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(hù)胚狀體的作用，同時(shí)又可以為胚狀體提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所以可看成種皮及胚乳或子葉。 (3)使植物細(xì)胞彼此分離可以使用纖維素酶和果膠酶，因?yàn)橹参锛?xì)胞壁的主要成分是纖維素和果膠。 (4)脫分化的實(shí)質(zhì)是使細(xì)胞恢復(fù)分裂能力，而再分化的實(shí)質(zhì)是基因的選擇性表達(dá)。 (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(xì)胞的全能性　植物組織培養(yǎng) (2)種皮及提供營(yíng)養(yǎng)的胚乳或子葉 (3)C (4)使細(xì)胞恢復(fù)分裂能力　基因的選擇性表達(dá) (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(shí)際是一種無(wú)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(guò)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。