植物细胞工程的基本技术新

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1、1996年7月5日,世界上第一只体细胞克隆动物-克隆羊多利诞生于英国。（P55）,这样的生物技术属于何种生物工程？,细胞工程,指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。,细胞工程,细胞工程是细胞水平或细胞器水平上的生物技术；基因工程是分子水平上的生物技术；,获得克隆多莉羊是水平上的技术，培育抗虫棉是水平上的技术。,细胞工程与基因工程相比：,细胞,分子,利用菊花花瓣微型繁殖培养的菊花,能否把某种植物的一块组织通过培养，得到一株完整植株呢?,2.1植物细胞工程,2.1.1植物细胞

2、工程的基本技术,植物组织培养,再分化,愈伤组织,植物组织培养,6,脱分化,1958年.美斯图尔德,外植体,脱分化,再分化,愈伤组织,胚状体,幼苗,胚状体,外植体,试管苗,重要概念：,（1）愈伤组织：离体的植物器官、组织或细胞（外植体），在培养一段时间以后，通过细胞分裂，形成一种高度液泡化、无定形状态的薄壁细胞组成的排列疏松无规则的组织。(无叶绿体,不进行光合作用；异养型),（2）植物细胞的脱分化：是让已经分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化状态的细胞的过程。,（3）植物细胞的再分化：,脱分化产生的愈伤组织，在一定的培养条件下，重新/再分化出根和芽等器官的过程。,思考：,

3、1、为什么已分化的植物组织或细胞能培养成完整植物体？/植物组织培养的原理？,植物细胞具有全能性。,2、什么是细胞的全能性？,具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能，也就是说，每个生物细胞都具有全能性的特点。,生物的每一个细胞都有本物种的全套遗传物质，都有发育成完整个体的全套基因。,3、已分化的细胞为什么具有发育成完整个体的潜能？,4、全能性大小（表现出全能性的难易程度）：,受精卵,生殖细胞,体细胞,2）,植物细胞动物细胞,3）,1）受精卵的全能性最高,4）分化程度低的细胞分化程度高的细胞,5）分裂能力强的细胞分裂能力弱的细胞,6、离体细胞表现出全能性一般需要提供哪

4、些条件？,离体、营养物质、激素及其它适宜条件。,我们了解了植物组织培养技术的大致过程，和相应的原理；那么进行植物组织培养的具体步骤如何操作？我们通过“胡萝卜的组织培养”实验，来了解该技术的操作过程。,在特定的时间和空间条件下，基因选择性的表达的结果。,5、生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，而是分化成不同的组织器官？,愈伤组织,胚状体或丛芽,试管苗,脱分化,再分化,植物组织培养就是在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。,植物的组织培养,前提：离体的植物器官、组织、细胞（外植体）条件：(

5、严格)无菌和人工控制条件下、人工配制的培养基、适宜的培养条件结果：诱导产生愈伤组织、丛芽（胚状体），最终形成完整植株,(1)在组织培养实验中，为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作？,防止杂菌污染，因为杂菌生长快，会和培养物争夺营养。杂菌生长过程中会产生有害的物质，导致培养物迅速死亡。,讨论,无菌操作避免微生物的污染，是植物组织培养成功的关键。,(2)在本实验中，切取胡萝卜块根时强调要切取含有形成层部分，原因是这部分容易诱导形成愈伤组织（分裂能力强）。请思考一下，胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花），是否也能培养成小植株，你能用实验的方法进行验证吗？,胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花）也能培

6、养再生形成小植株，只是诱导愈伤组织比较困难。,（3）植物组织培养的培养基（P36）固体培养基,无机营养成分：大量元素及部分微量元素有机营养成分：含N物质（氮源）：包括维生素和氨基酸碳源：2%5%的蔗糖琼脂：起支持作用相关激素：生长素，细胞分裂素和赤霉素PH值：5.06.0,P42,当细胞分裂素和生长素共同使用时，能刺激愈伤组织的形成，而通过调节二者的浓度比，就可以调控植物细胞培养过程中芽和根的形成，称为“激素杠杆”。（诱导培养基、分化培养基、生根培养基）,（4）思考：决定/诱导植物脱分化、再分化的关键因素是什么？,植物激素（植物生长调节剂）,激素杠杆：,结果：生长素用量比细胞分裂素用量，比值高

7、时，有利于根的分化、抑制芽的形成；比值低时，有利于芽的分化，抑制根的形成；比值适中时，促进愈伤组织的生长。,离体的植物器官、组织或细胞,愈伤组织,根、芽,植物体,外植体,脱分化,植物激素：细胞分裂素、生长素,再分化,概括：,植物组织培养条件：,含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的PH、适时光照等。,遮光,光照,细胞分化程度与细胞分裂能力呈负相关。,理论基础：,细胞的全能性,分化程度低脱分化较易,不能。因为不同种生物之间存在着生殖隔离，所以用传统的有性杂交方法是不可能做到这一点的。,于是，科学家试图用这两种植物的体细胞进行杂交，来实现这一美妙的设想。,二、植物体细胞杂交技

8、术,这幅图所设想的番茄马铃薯“超级作物”，利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？,一个梦想,1972年卡尔森等通过两个烟草品种之间原生质体的融合，获得了第一个体细胞杂种。,1978年梅尔彻斯(Melchers)等首次获得了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种“马铃薯番茄”。,目前，已得到栽培烟草与野生烟草、栽培大豆与野生大豆、籼稻与野生稻、籼稻与粳稻、小麦与鹅冠草等细胞杂种及其后代，获得了有价值的新品系或育种上有用的新材料。,梦想实现,1你认为两个来自不同植物的体细胞完成融合，遇到的第一个障碍是什么？2有没有一种温和的去壁方法呢？3为什么两个原生质体能发生融合，这与细胞膜的什么特性有关？4如果两个来源

9、不同的原生质体发生了融合，下一步该做何处理？5如何将杂种细胞培育成杂种植株？,请思考：,杂种植株,融合的原生质体AB,再生出细胞壁,脱分化,愈伤组织,再分化,1、植物体细胞杂交的过程,植物体细胞融合,植物组织培养,植物细胞A,原生质体B,原生质体A,杂种细胞AB,去壁,去壁,人工诱导,方法？,促进融合的方法？,细胞融合完成的标志,植物细胞B,（筛选）,离心、振动、电刺激、聚乙二醇,酶解法：纤维素酶果胶酶,2、植物体细胞杂交概念,将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。,白菜,甘蓝,白菜甘蓝,“白菜甘蓝”同普通白菜相比，具有生长期短、耐热性强和易于贮

10、藏等优点。,3、意义,在克服不同种生物远缘杂交的障碍上，取得了巨大的突破，从而扩大了可用于杂交的亲本组合。,为什么“番茄马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马铃薯？,主要原因是：生物基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，马铃薯番茄杂交植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，但这些遗传物质的表达受到相互干扰，不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，所以杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯。,未能让杂种植物完全按照人们的需要表现出亲代的优良性状。,4.未能解决的问题：,5.植物组织培养和植物体细胞杂交技术的比较,无性繁殖,细胞全能性,脱分化再分

11、化,保持优良性状繁殖速度快、大规模生产提高经济效益,杂交技术应用了组织培养,克服不同种生物远源杂交的障碍,去除细胞壁融合形成杂种细胞组织培养,膜流动性细胞全能性,无性繁殖（染色体变异）,1、有关全能性的表述中，不正确的是（）受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体，因此全能性最高生物体内细胞由于分化，全能性不能表现卵细胞和受精卵一样，细胞未分化，全能性很高在一定条件下,植物细胞离体培养能表现出全能性,随堂练习,C,2.下列植物细胞全能性最高的是（）A.形成层细胞B.韧皮部细胞C.木质部细胞D.叶肉细胞,A,3.在生物体内，细胞没有表现出全能性，而是分化为不同的组织、器官，是因为（）A、细胞的

12、基因丧失了全能性B、基因在特定时间和空间条件下选择性表达的结果C、不同的细胞内基因不完全相同D、在个体发育的不同时期，细胞内的基因发生了变化,B,4.下列属于组织培养的是（）A.花粉培养成单倍体植株B.芽发育成枝条C.根尖分生区发育成成熟区D.未受精的卵发育成雄蜂,A,5.在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中，下列哪一项条件是不需要的（）A.消毒灭菌B.适宜的温度C.充足的光照D.适宜的养料和激素,C,严格人工控制条件,6.要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株，不需要（）A.具有完整细胞核的细胞B.离体状态C.导入外源基因D.一定的营养物质和激素,C,7.若用“”表示植物组织培

13、养的过程。请回答：（1）表示，能被培养成为的根本原因是（2）表示.,脱分化,再分化,离体的植物器官、组织或细胞,植物细胞具有全能性,愈伤组织,8、不能人工诱导原生质体融合的方法是（）,A、振动B、电刺激C、PEG试剂D、重压,9、植物细胞融合完成的标志的是（）A、产生新的细胞壁B、细胞膜发生融合C、细胞质发生融合D、细胞核发生融合,A,D,10、植物体细胞杂交尚未解决的问题有（）,A、去掉细胞壁,分离出有活力的原生质体B、将杂种细胞培育成植株C、让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性D、尚未培育出属间杂种植物,C,11某同学在进行组织培养过程中发现只分裂而不分化出芽和根，可能原因是()A未

14、见阳光B培养时间不到C培养基营养过多D细胞分裂素和生长素配比不对,D,12下图是“白菜甘蓝”杂种植株的培育过程。下列说法正确的是()A植物体细胞杂交技术已经能使杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性状B愈伤组织是由排列紧密的薄壁细胞组成C上述过程中包含了有丝分裂、细胞分化和减数分裂等过程D“白菜甘蓝”杂种植株具有的性状是基因选择性表达的结果,D,13.下面所列过程是植物组织培养的简略过程。请据此回答：脱分化再分化表示，它能被培养成的根本原因是。表示，它的细胞特点是、若想制造人工种子，应选择（写编号）。,外植体,植物细胞全能性,愈伤组织,细胞排列疏松，高度液泡化无定形状态,若是花药，则是，这项

15、技术可用在上。,单倍体植株,单倍体育种,14.下图为植物体细胞杂交过程示意图，据图回答：,步骤是去掉，使植物细胞成为，最常用的方法是。步骤一般常用的化学试剂是，目的是。在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中，运用的技术手段是，其中步骤相当于，步骤相当于。,细胞壁,原生质体,酶解法,聚乙二醇,诱导原生质体融合,植物组织培养,脱分化,再分化,植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株，使两株植物的性状能够在新的植物体上有所表现，其根本原因是。从理论上讲，杂种植株的育性为。若运用传统有性杂交方法能否实现？因此，这项研究对于培养作物新品种方面的重大意义在于。利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种的过程中，

16、遗传物质的传递是否遵循孟德尔的遗传规律？为什么？,杂种细胞具有两个亲本的遗传物质,可育,不能,克服远缘杂交不亲和的障碍,不遵循，植物体细胞杂交属于无性生殖。,2.1植物细胞工程,2.1.1植物细胞工程的实际应用,植物组织培养技术,植物体细胞杂交技术,根据下列资料，思考利用这些技术能做哪些工作？,资料1兰花因高雅美丽而深受人们喜爱。兰花常用分根法和种子进行繁殖。在兰花的常规繁殖中，遇到的难题是：用分根法繁殖速度缓慢，不利于新品种的推广;用种子繁殖又很困难，因为兰花的种子十分微小，胚很纤弱，种子几乎没有储藏营养物质，在发芽过程中很容易夭折。,资料2科学家应用多倍体育种的方法，培育出的三倍体无子西瓜

17、，具有无子、含糖高、口感好等特点。但因其不结种子，每年必须用四倍体和二倍体西瓜杂交培育种子（每年都得制种），不仅增加了生产成本，也给无籽西瓜的普及带来困难。,根据下列资料，思考利用这些技术能做哪些工作？,资料3病毒引起的植物病害有500多种。受害的植物包括粮食作物、蔬菜、果树和花卉，如水稻、小麦、棉花、马铃薯、油菜、大蒜、苹果、枣、唐菖蒲、兰花等。而且没有有效的防治办法，只能拔除病株，造成很大的经济损失。病毒多集中在种子、老叶等器官中，在幼嫩的器官和未成熟的组织中较少，在分生区几乎不含病毒。,根据下列资料，思考利用这些技术能做哪些工作？,一、植物繁殖的新途径,1.微型繁殖（也叫快速繁殖技术）(

18、微繁，快繁),(3)实例：,用一个兰花茎尖就可以在一年内生产出400万株兰花苗,应用组织培养技术，快速繁殖优良品种植物,培养周期短，高效快速地实现种苗的大量繁殖,(2)特点:,(1)概念：,保持优良品种(亲本)的遗传特性（生殖方式：无性繁殖）,不受季节、气候、自然灾害等因素的影响,便于进行工厂化生产,兰花,杨树,生菜,无籽西瓜,(1)材料:(2)脱毒苗:(3)优点:,2.作物脱毒（培养无病毒植株：脱毒苗）,进行作物脱毒的原因:长期进行无性繁殖的作物，感染的病毒易积累；导致产量降低，品质变差；而植物分生区（如：茎尖）的病毒极少，甚至无病毒；用分生区的细胞进行组织培养，就能得到大量的脱毒苗。,为什

19、么需进行作物脱毒？,植物的分生区(茎尖)-无病毒或极少,切取茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗,使农作物不会或极少感染病毒,从而增产,脱毒农作物,甘蔗,香蕉,马铃薯,菠萝,树木需生长数年才能结出种子。,优良杂交种后代会因发生性状分离而丧失优良特性。,受季节、气候和地域的限制。,制种时需要占用大量土地。,如何克服这些缺陷？,常规/天然种子进行繁殖的不足：,3.神奇的人工种子,技术：原理：结构：,植物组织培养,细胞全能性,3.神奇的人工种子,人工胚乳,相当于天然种子的胚(由外植体或愈伤组织产生),(提供营养),(保护作用),加入适量无机盐、有机碳源等养分，农药、抗生素、有

20、益菌及生长调节剂等,胚状体(不定芽、顶芽、腋芽),人工薄膜,人工种皮,人工胚乳:,人结工构种示子意图,人工种子,自然种子,与天然种子比：解决某些作物繁殖力低、结子困难、发芽率低问题保持优良品种遗传特性不受气候、季节、地域的限制，时间短，占地少,与试管苗比：有人工薄膜保护，方便地贮藏和运输,优点：,在适宜条件下可以萌发长成幼苗。,特性：,3.神奇的人工种子,花椰菜,桉树,水稻,芹菜,3.神奇的人工种子,二、作物新品种的培育,明显缩短育种年限/周期(相对于常规选育),正常植物,花药,愈伤组织,单倍体幼苗,脱分化,再分化,染色体加倍,秋水仙素,1.单倍体育种,(1)方法:,(3)优点:,通过花药离体

21、培养获得单倍体植株，经染色体加倍(秋水仙素/低温处理),得到可育纯合体，经选择得到稳定遗传的优良品种,种子,纯合体,选优自交,(2)原理:,细胞全能性染色体变异,P：,高杆抗病DDTT,矮杆感病ddtt,F1,高杆抗病DdTt,第1年,选育出需要的矮抗纯种,F2,D_T_,D_tt,ddT_,ddtt,矮抗,杂交育种,第2年,第3年,生长,ddTT,F3,配子：,DT,Dt,dT,dt,单倍体幼苗：,DT,Dt,dT,dt,花药离体培养,秋水仙素,第2年,第4年,DDtt,ddTT,ddtt,纯合体:,DDTT,矮抗,P,高杆抗病DDTT,矮杆感病ddtt,F1,高杆抗病DdTt,单倍体育种,

22、选择矮秆抗病即为新品种,举例：利用高杆抗病DDTT和矮杆感病ddtt品种培育矮杆抗病ddTT,柏树,小麦,烟草,水稻,1.单倍体育种,单育1号烟草；中花8号、中花11号水稻；京花1号小麦；,2.突变体的利用(体细胞诱变育种),对植物组织培养过程中得愈伤组织进行诱变处理，促其发生突变，诱导分化成植株，筛选对人们有利突变体,进而培育新品种,新品种,外植体,愈伤组织,多种突变体,筛选培育,脱分化,诱导再分化,诱变处理,抗除草剂的白三叶草,抗病、抗盐、含高蛋白、高产等的突变体,融合的原生质体,原生质体B,原生质体A,去壁,去壁,植物A细胞,植物B细胞,诱导融合,再生出细胞壁,杂种细胞,脱分化,愈伤组织

23、,再分化,杂种植株,植物组织培养,植物细胞融合,优点：克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍，打破生殖隔离的界限,3.植物体细胞杂交,三、细胞产物的工厂化生产,1.种类:2.技术:3.实例：,蛋白质,脂肪,糖类,药物,香料,生物碱等.,植物的组织培养-愈伤组织细胞分散培养,利用组织培养技术来大量生产人参皂甙(dai)干粉,注意:一般培养到愈伤组织阶段，从愈伤组织的细胞中获得细胞产物!,总结:植物细胞工程的实际应用,1.下列属于植物细胞工程实际应用的是()制造人工种子培育抗盐植物培育抗病毒烟草培育单倍体生产脱毒植株A.B.C.D.,C,随堂练习,【解析】选C。植物细胞工程应用范围较广，除外还包括利用植

24、物体细胞杂交生产杂种植物，利用植物细胞培养生产香料、药物等。中培育抗病毒烟草属于基因工程的操作。,2.植物组织培养技术不会用于()A.培育“番茄马铃薯”B.培育无病毒植株C.扦插繁殖D.培育转基因延熟番茄植株,C,【解析】选C。植物组织培养可培养出无病毒的植株。培育“番茄马铃薯”为植物体细胞杂交，需要对杂交细胞进行组织培养。培育转基因延熟番茄植株时，如果将目的基因转入番茄体细胞中，也需要经过植物组织培养才能获得延熟植株。扦插繁殖不需要经过组织培养过程。,3.改良缺乏某种抗病性的水稻品种，不宜采用的方法是()A.诱变育种B.单倍体育种C.基因工程育种D.杂交育种,B,【解析】选B。A项可通过基因

25、突变产生新基因来达到改良作物品种的目的；C项可通过转入抗病基因，达到改良作物品种的目的；D项可借助杂交育种，并经多次选育，获得抗病性状，达到改良新基因的目的（前提是该物种中存在抗病基因）。而单倍体是将已有基因进行分离培养得到新个体的育种过程，不能从缺乏某种抗病性品种中获得抗病性状，因此选B项。,4.下列关于植物组织培养的叙述中，错误的是()A培养基中添加蔗糖的目的是提供营养和调节渗透压B培养基中的生长素和细胞分裂素影响愈伤组织的生长和分化C离体器官或组织的细胞都必须通过脱分化才能形成愈伤组织D同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织基因相同,D,5.玉米是一种主要的农作物，为了提高

26、玉米的产量，科学家做了大量的研究工作。如图是关于玉米培养的过程，请据图回答：,(1)取玉米幼苗的茎尖进行_，如图AC，发育成植株D，取D的花药进行离体培养成幼苗，如图EF，经秋水仙素处理后发育成植株G，属于_；从生殖方式上分析，AD属于_生殖；从细胞分裂方式上分析，EF过程中进行了_分裂。(2)取茎尖进行培养的原因是_。(3)AC的过程要严格控制_。,分生区附近病毒极少，甚至无病毒,无菌条件,组织培养,单倍体育种,无性,有丝,(4)用AD过程获得的植株D，称为_。若用D进行繁殖，种植的植株就_或_感染病毒。(5)用EG途径育种的优点是_。(6)若想培育出一种新的玉米品种，可以采用_育种方式；若想培育出一种能抗虫的玉米新品种，可以采用_育种；若想培育出一种地上结玉米，地下结马铃薯的植株，可以利用_技术。,不会极少,直接得到稳定遗传的优良品种，极大地缩短了育种年限,植物体细胞杂交,脱毒苗,诱变,基因工程,