第1章細胞工程原理

1、1第一章第一章 細胞工程原理細胞工程原理 概述概述第一節(jié)第一節(jié) 細胞全能性細胞全能性 1、細胞全能性概念的發(fā)展 2、植物活細胞具有生命的特征屬性第二節(jié)第二節(jié) 脫分化與再分化脫分化與再分化第三節(jié)第三節(jié) 再生植株形成途徑再生植株形成途徑 1、器官發(fā)生 2、胚胎發(fā)生第四節(jié)第四節(jié) 培養(yǎng)細胞的遺傳與變異培養(yǎng)細胞的遺傳與變異 1、變異增多現(xiàn)象及其價值 2、變異的遺傳基礎(chǔ)要求：了解要求：了解細胞全能性概念的發(fā)展細胞全能性概念的發(fā)展；植物活細胞具有生命特征屬性；植物活細胞具有生命特征屬性；掌握一些重要的掌握一些重要的概念（植物細胞工程、細胞全能性、脫分化與再分化概念（植物細胞工程、細胞全能性、脫分化與再分化、

2、器官培養(yǎng)、胚胎培養(yǎng)、組織培器官培養(yǎng)、胚胎培養(yǎng)、組織培養(yǎng)、細胞培養(yǎng)、原生質(zhì)體培養(yǎng)等養(yǎng)、細胞培養(yǎng)、原生質(zhì)體培養(yǎng)等)、再生植株形成途徑及變異增多現(xiàn)象及其價值再生植株形成途徑及變異增多現(xiàn)象及其價值。2第一節(jié)第一節(jié) 細胞全能性細胞全能性（totipotency ）一、細胞全能性概念的發(fā)展一、細胞全能性概念的發(fā)展 1902年年，德國植物學家，德國植物學家haberlandt 發(fā)表發(fā)表了著名論文了著名論文植物細胞離體培養(yǎng)實驗植物細胞離體培養(yǎng)實驗，提出，提出了細胞全能性的觀點。他認為，作為高等植物了細胞全能性的觀點。他認為，作為高等植物的器官和組織基本單位的細胞有可能在離體培的器官和組織基本單位的細胞有可能在

3、離體培養(yǎng)條件下實現(xiàn)分裂分化。并且預(yù)言：在未來，養(yǎng)條件下實現(xiàn)分裂分化。并且預(yù)言：在未來，人們可以成功地從體細胞培養(yǎng)出人工胚。由于人們可以成功地從體細胞培養(yǎng)出人工胚。由于當時的知識和技術(shù)水平的局限，他們的實驗未當時的知識和技術(shù)水平的局限，他們的實驗未能成功，但是卻開辟了植物學研究的新領(lǐng)域能成功，但是卻開辟了植物學研究的新領(lǐng)域植物組織和細胞培養(yǎng)。植物組織和細胞培養(yǎng)。 haberlandt3 1934年，年，white首次給細胞全能性下定義：首次給細胞全能性下定義：每個每個植物活細胞植物活細胞在合適的培養(yǎng)條件在合適的培養(yǎng)條件下，都有發(fā)育成為胚的能力。下，都有發(fā)育成為胚的能力。 1958年，年，stew

4、ard等等 和和reinert等從胡蘿卜細胞培養(yǎng)物中獲得了人工胚，進等從胡蘿卜細胞培養(yǎng)物中獲得了人工胚，進一步形成了完整的植株。一步形成了完整的植株。 guha等等(1964； 1966)先后獲得了曼陀羅的花粉胚和先后獲得了曼陀羅的花粉胚和單倍體單倍體植株。植株。 srivastava等（等（1973）和）和sethi等（等（1976）分別從寄生植物羅氏核實木胚乳）分別從寄生植物羅氏核實木胚乳和黑種草和黑種草胚乳三倍體組織獲得了胚狀體胚乳三倍體組織獲得了胚狀體。 此后，又有眾多植物種類的離體培養(yǎng)獲得了胚狀體。此后，又有眾多植物種類的離體培養(yǎng)獲得了胚狀體。 1960年，年，sinnoit等認為：

5、全能性意味著每一個細胞中包含著一個完整有機體的等認為：全能性意味著每一個細胞中包含著一個完整有機體的全部全部基因基因，在適合的條件下，一個細胞就會形成一個完全新的有機體。，在適合的條件下，一個細胞就會形成一個完全新的有機體。 1984年，國際組織培養(yǎng)協(xié)會：細胞全能性是細胞的某種特性，有這種能力的年，國際組織培養(yǎng)協(xié)會：細胞全能性是細胞的某種特性，有這種能力的細胞保留了形成有機體所有細胞類型的能力。細胞保留了形成有機體所有細胞類型的能力。 4細胞全能性細胞全能性：每個每個植物活細胞植物活細胞具有該物種的具有該物種的生命特征屬生命特征屬性性，在合適離體培養(yǎng)條件下，可以展現(xiàn)這些特征屬性。，在合適離體培

6、養(yǎng)條件下，可以展現(xiàn)這些特征屬性。注意點注意點：雖然：雖然植物細胞都具有全能性植物細胞都具有全能性，但由于諸多原因（如基因型、分化程度、但由于諸多原因（如基因型、分化程度、生理狀態(tài)等的差異），其再生能力、脫生理狀態(tài)等的差異），其再生能力、脫分化能力及再分化能力可能都大不相同，分化能力及再分化能力可能都大不相同，培養(yǎng)難度差別很大甚至無法培養(yǎng)，應(yīng)采培養(yǎng)難度差別很大甚至無法培養(yǎng)，應(yīng)采用多種辦法克服解決。用多種辦法克服解決。5生命延續(xù)的方法生命延續(xù)的方法生命存在的基礎(chǔ)生命存在的基礎(chǔ)二、植物活細胞具有生命特征屬性二、植物活細胞具有生命特征屬性1、生命的基本特征屬性、生命的基本特征屬性 新陳代謝新陳代謝 (

7、metabolism)應(yīng)激性應(yīng)激性 (irritability)自體復制自體復制 (autoduplication)6 新陳代謝新陳代謝是維持生命各種活動（如生長、繁殖和運動等）是維持生命各種活動（如生長、繁殖和運動等）過程中的化學變化的總稱過程中的化學變化的總稱（或：（或：生物生物體內(nèi)全部有序體內(nèi)全部有序化學變化化學變化的的總稱。它包括總稱。它包括物質(zhì)代謝物質(zhì)代謝和和能量代謝能量代謝兩個方面兩個方面）。生物體總是不。生物體總是不斷地從環(huán)境中攝取物質(zhì)和能量，用以建造和維持自身。與此同斷地從環(huán)境中攝取物質(zhì)和能量，用以建造和維持自身。與此同時，又有同等數(shù)量的能量，以熱和其他形式排出體外，并在環(huán)時，

8、又有同等數(shù)量的能量，以熱和其他形式排出體外，并在環(huán)境中迅速散布開來，增加環(huán)境的紊亂狀態(tài)，也就是通常所說的境中迅速散布開來，增加環(huán)境的紊亂狀態(tài)，也就是通常所說的使環(huán)境的使環(huán)境的“熵熵”值增加。一旦新陳代謝停止，生命活動也就停值增加。一旦新陳代謝停止，生命活動也就停止，生物體就會瓦解。止，生物體就會瓦解。1） 新陳代謝新陳代謝7 應(yīng)激性也是非常重要的生命特征屬性，因為生命的存在應(yīng)激性也是非常重要的生命特征屬性，因為生命的存在離離不開環(huán)境條件，而環(huán)境條件又是在不斷變化的，其中既有日不開環(huán)境條件，而環(huán)境條件又是在不斷變化的，其中既有日夜夜交替、四季更迭的規(guī)律性變化，也有險敵突臨、氣候驟變等交替、四季更

9、迭的規(guī)律性變化，也有險敵突臨、氣候驟變等突突發(fā)的非規(guī)律性變發(fā)的非規(guī)律性變 應(yīng)激性就是生物體隨環(huán)境變化的刺激而發(fā)生相應(yīng)反應(yīng)應(yīng)激性就是生物體隨環(huán)境變化的刺激而發(fā)生相應(yīng)反應(yīng)的特性。的特性。 生物體具有生物體具有“某種機制某種機制”來感知和正確估計環(huán)境的變來感知和正確估計環(huán)境的變化，以便在其體內(nèi)進行校正，保持體內(nèi)平衡或?qū)Νh(huán)境表現(xiàn)化，以便在其體內(nèi)進行校正，保持體內(nèi)平衡或?qū)Νh(huán)境表現(xiàn)出有利于自身生存的反應(yīng)。應(yīng)激性的表現(xiàn)因物種的不同而出有利于自身生存的反應(yīng)。應(yīng)激性的表現(xiàn)因物種的不同而多種多樣，例如，大腸桿菌在以乳糖作唯一碳源時的生存多種多樣，例如，大腸桿菌在以乳糖作唯一碳源時的生存反應(yīng)；反應(yīng)；動物對險敵的逃避

10、反應(yīng)動物對險敵的逃避反應(yīng)；植物的某些反應(yīng)植物的某些反應(yīng)，如通過，如通過休眠度過不利環(huán)境；在受到損傷時，休眠度過不利環(huán)境；在受到損傷時，部分器官部分器官可以脫落掉可以脫落掉并再生成新的個體，保持生命的延續(xù)。并再生成新的個體，保持生命的延續(xù)。2） 應(yīng)激性應(yīng)激性8 自體復制是指生物體利用自身作為模板，通過代謝作自體復制是指生物體利用自身作為模板，通過代謝作用，復制出完全相同的結(jié)構(gòu)，或產(chǎn)生具有相同的自體用，復制出完全相同的結(jié)構(gòu)，或產(chǎn)生具有相同的自體繁殖能力的突變結(jié)構(gòu)。前者，人們稱之為繁殖能力的突變結(jié)構(gòu)。前者，人們稱之為“遺傳遺傳”，后者，則稱之為后者，則稱之為“變異變異”。自體復制是。自體復制是“生命

11、的最鮮生命的最鮮明的特征明的特征”，可以看作生命狀態(tài)的精華。藉此特征屬，可以看作生命狀態(tài)的精華。藉此特征屬性，生物種群才能繁衍續(xù)存不致滅絕。性，生物種群才能繁衍續(xù)存不致滅絕。 不同生物類群的自體復制方式不盡相同。單細胞生物不同生物類群的自體復制方式不盡相同。單細胞生物通過簡單的細胞分裂，即可實現(xiàn)自體復制。而高等生通過簡單的細胞分裂，即可實現(xiàn)自體復制。而高等生物必須經(jīng)歷一個個體發(fā)育過程。即從受精卵開始，經(jīng)物必須經(jīng)歷一個個體發(fā)育過程。即從受精卵開始，經(jīng)細胞分裂分化、組織分化、器官形成、直至性成熟，細胞分裂分化、組織分化、器官形成、直至性成熟，產(chǎn)生配子，然后精、卵配子結(jié)合，形成合子，才能實產(chǎn)生配子，

12、然后精、卵配子結(jié)合，形成合子，才能實現(xiàn)自體復制?，F(xiàn)自體復制。3） 自體復制自體復制92 2、植物植物細胞具有生命的基本特征屬性細胞具有生命的基本特征屬性 生物體由無生命的分子組成，組成生命的各種分子都服從非生物體由無生命的分子組成，組成生命的各種分子都服從非生命物質(zhì)的有關(guān)定律。那么，生命的特征屬性從何而來？生命物質(zhì)的有關(guān)定律。那么，生命的特征屬性從何而來？近代細胞生物學研究表明，近代細胞生物學研究表明，生命的特征屬性來自細胞生命的特征屬性來自細胞。雖然。雖然構(gòu)成細胞的最重要的遺傳物質(zhì)構(gòu)成細胞的最重要的遺傳物質(zhì)核酸，是可以自體復制的物核酸，是可以自體復制的物質(zhì)，但當它單獨存在時，并不表現(xiàn)生命的特

13、征屬性。質(zhì)，但當它單獨存在時，并不表現(xiàn)生命的特征屬性。只有和蛋白只有和蛋白質(zhì)結(jié)合時，才具有生命的特征。最典型的例子是，病毒核酸只有質(zhì)結(jié)合時，才具有生命的特征。最典型的例子是，病毒核酸只有侵入宿主后，依靠宿主的一些機制（酶系統(tǒng)）才能繁殖，如果離侵入宿主后，依靠宿主的一些機制（酶系統(tǒng)）才能繁殖，如果離開細胞，則會失去生命的屬性。由此可見，只有核酸和蛋白質(zhì)與開細胞，則會失去生命的屬性。由此可見，只有核酸和蛋白質(zhì)與其他分子組成一定的遺傳器（細胞），才能表現(xiàn)完整的生命活動。其他分子組成一定的遺傳器（細胞），才能表現(xiàn)完整的生命活動。10那么，在一個多細胞植物體中，是不是每一個細胞都具有這那么，在一個多細胞

14、植物體中，是不是每一個細胞都具有這些特征屬性？這些特征屬性都可以表現(xiàn)出來嗎些特征屬性？這些特征屬性都可以表現(xiàn)出來嗎? 事實上，事實上，雖然每一個細胞都從合子得到同樣的基因儲備，但雖然每一個細胞都從合子得到同樣的基因儲備，但這些基因并沒有全部開放。在某一特定的時間內(nèi)，只有這些基因并沒有全部開放。在某一特定的時間內(nèi)，只有5-10%的的基因基因發(fā)揮作用，也就是說，只有一小部分的基因被轉(zhuǎn)錄和翻譯，發(fā)揮作用，也就是說，只有一小部分的基因被轉(zhuǎn)錄和翻譯，形成特異蛋白質(zhì)，并導致細胞結(jié)構(gòu)和功能的特化。這樣，不同的形成特異蛋白質(zhì)，并導致細胞結(jié)構(gòu)和功能的特化。這樣，不同的基因在不同的時空中起作用，導致結(jié)構(gòu)和功能特化

15、的細胞以一定基因在不同的時空中起作用，導致結(jié)構(gòu)和功能特化的細胞以一定的方式裝配成一個完整的個體。每個細胞被固定在特定的時空的方式裝配成一個完整的個體。每個細胞被固定在特定的時空中，受到所處組織的制約，只表現(xiàn)出一小部分的生命特征屬性。中，受到所處組織的制約，只表現(xiàn)出一小部分的生命特征屬性。 113、離體培養(yǎng)條件下的細胞具備相應(yīng)的生命特征屬性、離體培養(yǎng)條件下的細胞具備相應(yīng)的生命特征屬性 培養(yǎng)細胞的新陳代謝培養(yǎng)細胞的新陳代謝事實證明，細胞只要在培養(yǎng)條事實證明，細胞只要在培養(yǎng)條件下存活，就具有新陳代謝特性。例如，在合適的條件下，件下存活，就具有新陳代謝特性。例如，在合適的條件下，綠色細胞具有光自養(yǎng)能力

16、，固氮植物的細胞具有固氮特性，綠色細胞具有光自養(yǎng)能力，固氮植物的細胞具有固氮特性，而藥用植物細胞也會具有藥物合成的能力，等等。而藥用植物細胞也會具有藥物合成的能力，等等。 12培養(yǎng)細胞的應(yīng)激性培養(yǎng)細胞的應(yīng)激性當細胞被切離下來，培養(yǎng)于人工條件當細胞被切離下來，培養(yǎng)于人工條件下，就會表現(xiàn)出應(yīng)激性：非綠色細胞脫離了自養(yǎng)的母體之后，下，就會表現(xiàn)出應(yīng)激性：非綠色細胞脫離了自養(yǎng)的母體之后，應(yīng)變出對人工的營養(yǎng)配方和環(huán)境條件的適應(yīng)性，以異養(yǎng)方式應(yīng)變出對人工的營養(yǎng)配方和環(huán)境條件的適應(yīng)性，以異養(yǎng)方式生存發(fā)展；脫離母體時的切割損傷以及應(yīng)激于培養(yǎng)條件而出生存發(fā)展；脫離母體時的切割損傷以及應(yīng)激于培養(yǎng)條件而出現(xiàn)脫分化，并

17、在合適的條件下進行再分化，都是植物應(yīng)激性現(xiàn)脫分化，并在合適的條件下進行再分化，都是植物應(yīng)激性的典型表現(xiàn)。所以，培養(yǎng)細胞具備應(yīng)激性。的典型表現(xiàn)。所以，培養(yǎng)細胞具備應(yīng)激性。13培養(yǎng)細胞的自體復制培養(yǎng)細胞的自體復制 培養(yǎng)細胞的分裂能力在每一個成功的離體培養(yǎng)實驗系統(tǒng)中均得到證培養(yǎng)細胞的分裂能力在每一個成功的離體培養(yǎng)實驗系統(tǒng)中均得到證實。另外，大量的研究表明，比完整細胞略小的細胞結(jié)構(gòu)原生實。另外，大量的研究表明，比完整細胞略小的細胞結(jié)構(gòu)原生質(zhì)體，也能培養(yǎng)而再生成新個體，甚至能夠通過原生質(zhì)體之間的融質(zhì)體，也能培養(yǎng)而再生成新個體，甚至能夠通過原生質(zhì)體之間的融合，創(chuàng)造出新的物種（體細胞雜交）。由此可見，培養(yǎng)的

18、植物細胞合，創(chuàng)造出新的物種（體細胞雜交）。由此可見，培養(yǎng)的植物細胞完全具有自體復制的特征屬性。完全具有自體復制的特征屬性。14第三節(jié)脫分化與再分化第三節(jié)脫分化與再分化 一、幾個基本的名詞術(shù)語一、幾個基本的名詞術(shù)語 分生（分生（generatinggenerating） 分化（分化（differentiationdifferentiation） 脫分化脫分化(dedifferentiation):(dedifferentiation):已經(jīng)分化的細胞已經(jīng)分化的細胞( (即成熟即成熟細胞細胞) )，在一定條件的刺激下，喪失了原有的結(jié)構(gòu)和功，在一定條件的刺激下，喪失了原有的結(jié)構(gòu)和功能，回復到無結(jié)構(gòu)的

19、分生組織狀態(tài)，稱為脫分化。能，回復到無結(jié)構(gòu)的分生組織狀態(tài)，稱為脫分化。特征：呼吸作用加強，合成代謝變得旺盛，細胞壁由厚變薄，特征：呼吸作用加強，合成代謝變得旺盛，細胞壁由厚變薄，細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化。細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化。15再分化再分化（redifferentiation)：由脫分化的細胞：由脫分化的細胞(如愈傷組織如愈傷組織)，經(jīng)，經(jīng) 過再一次的分化，形成新的器官甚至完整植株的現(xiàn)象。過再一次的分化，形成新的器官甚至完整植株的現(xiàn)象。 特征：特征：細胞壁變厚，導管細胞形成，酶水平的變化和明顯的機細胞壁變厚，導管細胞形成，酶水平的變化和明顯的機能分化。能分化。 再生作用（再生作用（regen

20、eration）：植物的某些器官具有形成新器官甚）：植物的某些器官具有形成新器官甚至新個體的作用。至新個體的作用。 形態(tài)發(fā)生（形態(tài)發(fā)生（morphogenesismorphogenesis）：分化或再分化的結(jié)果，使培養(yǎng)材）：分化或再分化的結(jié)果，使培養(yǎng)材料從料從“不具有固定形態(tài)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)不具有固定形態(tài)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)椤熬哂泄潭ㄐ螒B(tài)結(jié)構(gòu)具有固定形態(tài)結(jié)構(gòu)（形成新器官，呈現(xiàn)極性生長）的狀態(tài)（形成新器官，呈現(xiàn)極性生長）的狀態(tài)”。簡而言之，。簡而言之，“形態(tài)發(fā)形態(tài)發(fā)生生”是指生物在個體發(fā)育或再生過程中，形成器官、機體等形態(tài)是指生物在個體發(fā)育或再生過程中，形成器官、機體等形態(tài)結(jié)構(gòu)的過程。結(jié)構(gòu)的過程。

21、 16 植物組織培養(yǎng)：植物組織培養(yǎng)：將植物的任何器官、組織或細胞，在將植物的任何器官、組織或細胞，在人工預(yù)知的控制條件下，放在含有營養(yǎng)物質(zhì)和植物生人工預(yù)知的控制條件下，放在含有營養(yǎng)物質(zhì)和植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)等組成的培養(yǎng)基上，使其生長、分化形成長調(diào)節(jié)物質(zhì)等組成的培養(yǎng)基上，使其生長、分化形成完整植株的過程。根據(jù)培養(yǎng)物的來源及大小不同，可完整植株的過程。根據(jù)培養(yǎng)物的來源及大小不同，可分為分為6個層次（或水平）：個層次（或水平）： 植物培養(yǎng)植物培養(yǎng) 器官培養(yǎng)器官培養(yǎng) 胚胎培養(yǎng)胚胎培養(yǎng) 組織培養(yǎng)組織培養(yǎng) 細胞培養(yǎng)細胞培養(yǎng) 原生質(zhì)體培養(yǎng)原生質(zhì)體培養(yǎng) 易易 難難 17二、脫分化二、脫分化植物體是一個具有高度結(jié)構(gòu)

22、的多細胞系統(tǒng)。其中的不同細胞或植物體是一個具有高度結(jié)構(gòu)的多細胞系統(tǒng)。其中的不同細胞或組織都是高度分化的，它們互相協(xié)調(diào)而發(fā)揮作用，這些分化的體細組織都是高度分化的，它們互相協(xié)調(diào)而發(fā)揮作用，這些分化的體細胞經(jīng)過分裂后只產(chǎn)生相應(yīng)的組織或器官，其細胞的全能性不能表達。胞經(jīng)過分裂后只產(chǎn)生相應(yīng)的組織或器官，其細胞的全能性不能表達。為了使這樣的細胞重新獲得分化能力，就需要對其進行一些刺為了使這樣的細胞重新獲得分化能力，就需要對其進行一些刺激，幫助其回復到未分化的原始狀態(tài)（即分生組織狀態(tài)），這一過激，幫助其回復到未分化的原始狀態(tài)（即分生組織狀態(tài)），這一過程稱之為脫分化。脫分化的實質(zhì)是解除分化，是成熟體細胞返老

23、還程稱之為脫分化。脫分化的實質(zhì)是解除分化，是成熟體細胞返老還童的一種表現(xiàn)。童的一種表現(xiàn)。脫分化后，成熟體細胞回到分化前的狀態(tài)，重新具有表達全能脫分化后，成熟體細胞回到分化前的狀態(tài)，重新具有表達全能性的能力。性的能力。18大量的研究表明，具有一定結(jié)構(gòu)的植物組織或器官，與母體組大量的研究表明，具有一定結(jié)構(gòu)的植物組織或器官，與母體組織分離后并在一定的條件下培養(yǎng)之后，其細胞就可以脫分化并形成織分離后并在一定的條件下培養(yǎng)之后，其細胞就可以脫分化并形成愈傷組織，這種愈傷組織往往能夠很好地進行增殖。愈傷組織，這種愈傷組織往往能夠很好地進行增殖。 幾乎所有的植物都有誘導產(chǎn)生愈傷組織的潛在可能性?；蛘邘缀跛械?/p>

24、植物都有誘導產(chǎn)生愈傷組織的潛在可能性。或者說，誘導愈傷組織成敗的關(guān)鍵主要不是實驗材料，而是培養(yǎng)條件，說，誘導愈傷組織成敗的關(guān)鍵主要不是實驗材料，而是培養(yǎng)條件，尤其是激素的種類和濃度（生長素和細胞分裂素）。尤其是激素的種類和濃度（生長素和細胞分裂素）。 脫分化的起始涉及到特定基因的表達，在外源生長素的誘導脫分化的起始涉及到特定基因的表達，在外源生長素的誘導下，某些基因被激活，下，某些基因被激活，rna合成增加，酶活性提高，為合成增加，酶活性提高，為dna的復的復制作好物質(zhì)準備。制作好物質(zhì)準備。然后，外植體切口邊緣開始膨大，外層細胞開始然后，外植體切口邊緣開始膨大，外層細胞開始分裂，這些細胞的核大

25、，核仁明顯，出現(xiàn)大量分生細胞團，細胞代分裂，這些細胞的核大，核仁明顯，出現(xiàn)大量分生細胞團，細胞代謝十分活躍，細胞中謝十分活躍，細胞中rna、蛋白質(zhì)和、蛋白質(zhì)和dna的合成量相繼達到峰的合成量相繼達到峰值，細胞分裂迅速并形成肉眼可的愈傷組織，標志著脫化的實現(xiàn)。值，細胞分裂迅速并形成肉眼可的愈傷組織，標志著脫化的實現(xiàn)。19需要補充說明的是，細胞脫分化的結(jié)果，在多數(shù)情況需要補充說明的是，細胞脫分化的結(jié)果，在多數(shù)情況下是形成愈傷組織，但也有不少實驗證明，一些外植體的下是形成愈傷組織，但也有不少實驗證明，一些外植體的細胞脫分化后直接分化為胚性細胞，進而形成胚狀體，其細胞脫分化后直接分化為胚性細胞，進而形

26、成胚狀體，其間并沒有愈傷組織的形成。因此，也不能將脫分化和愈傷間并沒有愈傷組織的形成。因此，也不能將脫分化和愈傷組織二者等同起來。組織二者等同起來。20高等植物細胞脫分化和再分化示意圖高等植物細胞脫分化和再分化示意圖器官分化完整植株細胞再分化細胞分裂細胞脫分化dedifferentiationredifferentiation成熟細胞分生細胞多細胞團(愈傷組織)胚胎發(fā)生21 細胞的脫分化能力與其分化程度呈負相關(guān)：細胞的脫分化能力與其分化程度呈負相關(guān)：22三、再分化三、再分化 脫分化的細胞在形態(tài)發(fā)生上具有較大的可塑性，在適當?shù)臈l件脫分化的細胞在形態(tài)發(fā)生上具有較大的可塑性，在適當?shù)臈l件下可分化出不

27、同種類的細胞、組織甚至完整植株：下可分化出不同種類的細胞、組織甚至完整植株： 細胞水平：薄壁細胞，分生細胞，管胞細胞，色素細胞，石細胞，細胞水平：薄壁細胞，分生細胞，管胞細胞，色素細胞，石細胞，纖維細胞等；纖維細胞等； 組織水平：如維管組織；組織水平：如維管組織； 器官水平：由分化出的不同組織形成各種器官器官水平：由分化出的不同組織形成各種器官( (根、莖、葉、芽根、莖、葉、芽等等) )，最常見的方式是先芽后根；，最常見的方式是先芽后根； 植株水平：先芽后根，先根后芽，或兩者獨立發(fā)生后貫通成苗。植株水平：先芽后根，先根后芽，或兩者獨立發(fā)生后貫通成苗。23四、體細胞胚胎發(fā)生四、體細胞胚胎發(fā)生1、

28、體細胞胚胎概念的特點、體細胞胚胎概念的特點（1）體細胞胚是組織培養(yǎng)的產(chǎn)物，只限于組織培養(yǎng)范圍內(nèi)使用，）體細胞胚是組織培養(yǎng)的產(chǎn)物，只限于組織培養(yǎng)范圍內(nèi)使用，區(qū)別于無融合生殖的胚；區(qū)別于無融合生殖的胚；（2）體細胞胚起源于非合子胚，區(qū)別于合子胚；）體細胞胚起源于非合子胚，區(qū)別于合子胚；（3）體細胞胚的形成經(jīng)歷胚胎發(fā)育過程，區(qū)別于組織培養(yǎng)中的器）體細胞胚的形成經(jīng)歷胚胎發(fā)育過程，區(qū)別于組織培養(yǎng)中的器官發(fā)生（芽、根分化）。官發(fā)生（芽、根分化）。合子胚與體細胞胚異同點：合子胚與體細胞胚異同點：不同點不同點：合子胚由合子發(fā)育而成，遺傳物質(zhì)來自于兩個親本細胞，：合子胚由合子發(fā)育而成，遺傳物質(zhì)來自于兩個親本細胞

29、，是有性生殖的結(jié)果；體細胞胚的遺傳物質(zhì)僅由一個體細胞提供，是是有性生殖的結(jié)果；體細胞胚的遺傳物質(zhì)僅由一個體細胞提供，是無性生殖過程形成的。無性生殖過程形成的。 相同點：相同點：都含有一整套遺傳信息，都可以發(fā)育成新一代生物個體。都含有一整套遺傳信息，都可以發(fā)育成新一代生物個體。 24合子胚的形成過程合子胚的形成過程252、體細胞胚的特點、體細胞胚的特點（1）具有兩極性（結(jié)構(gòu)完整）；）具有兩極性（結(jié)構(gòu)完整）；（2）存在生理隔離（與外植體維管組織少有聯(lián)系）；）存在生理隔離（與外植體維管組織少有聯(lián)系）；（3）遺傳相對穩(wěn)定；）遺傳相對穩(wěn)定；（4）繁殖速度快，數(shù)量大。）繁殖速度快，數(shù)量大。263、體細胞胚

30、胎發(fā)生的普遍性、體細胞胚胎發(fā)生的普遍性據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界約有據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界約有10001000多種高等植物進行多種高等植物進行過離體培養(yǎng)研究，其中絕大多數(shù)能夠通過體細胞胚胎途徑過離體培養(yǎng)研究，其中絕大多數(shù)能夠通過體細胞胚胎途徑形成再生植株。由此可見，體細胞胚胎發(fā)生途徑已成為植形成再生植株。由此可見，體細胞胚胎發(fā)生途徑已成為植物離體培養(yǎng)中的一個基本的途徑（普遍性）。物離體培養(yǎng)中的一個基本的途徑（普遍性）。相對于被子植物而言，裸子植物（如松柏類）體細胞相對于被子植物而言，裸子植物（如松柏類）體細胞胚胎發(fā)生的難度較高；另外，單倍體細胞（如小孢子）胚胚胎發(fā)生的難度較高；另外，單倍體細胞（如小孢

31、子）胚胎發(fā)生的難度高于二倍體細胞，但也有不少的成功之例。胎發(fā)生的難度高于二倍體細胞，但也有不少的成功之例。274、體細胞胚胎的發(fā)生途徑（、體細胞胚胎的發(fā)生途徑（2種）種）（1）直接途徑）直接途徑體細胞胚直接發(fā)生于外植體的某些部位，如下胚軸體細胞胚直接發(fā)生于外植體的某些部位，如下胚軸的表皮、子葉表面等。的表皮、子葉表面等。（2）間接途徑）間接途徑 外植體脫分化形成愈傷組織，然后在愈傷組織上分化外植體脫分化形成愈傷組織，然后在愈傷組織上分化出體細胞胚。出體細胞胚。兩種途徑中，后者是主要的途徑。其通常的過程是，兩種途徑中，后者是主要的途徑。其通常的過程是，愈傷組織中某些體細胞轉(zhuǎn)化為胚性細胞，胚性細胞

32、持續(xù)分愈傷組織中某些體細胞轉(zhuǎn)化為胚性細胞，胚性細胞持續(xù)分裂形成多細胞原胚，原胚繼續(xù)發(fā)育成為成熟的體細胞胚。裂形成多細胞原胚，原胚繼續(xù)發(fā)育成為成熟的體細胞胚。28五、離體培養(yǎng)條件下細胞的脫分化和再分化的時期五、離體培養(yǎng)條件下細胞的脫分化和再分化的時期 從植物體上切下來的一塊組織，經(jīng)過離體培養(yǎng)到器官從植物體上切下來的一塊組織，經(jīng)過離體培養(yǎng)到器官發(fā)生，大致可分為發(fā)生，大致可分為誘導期誘導期（細胞分裂的準備期）、（細胞分裂的準備期）、分裂期分裂期（細胞從開始分裂到持續(xù)分裂的時期）和（細胞從開始分裂到持續(xù)分裂的時期）和分化期分化期（從愈傷（從愈傷組織形成到器官發(fā)生）三個時期。組織形成到器官發(fā)生）三個時期

33、。29誘導期誘導期：細胞分裂的準備期：細胞分裂的準備期 一切組織從完整植物體上分離下來的當時，構(gòu)成組織的細胞一一切組織從完整植物體上分離下來的當時，構(gòu)成組織的細胞一般都處于靜止狀態(tài)，稱為般都處于靜止狀態(tài)，稱為靜止細胞靜止細胞。 誘導期細胞的特征誘導期細胞的特征：細胞質(zhì)增加，出現(xiàn)活躍的原生質(zhì)流動，：細胞質(zhì)增加，出現(xiàn)活躍的原生質(zhì)流動，貯貯藏物質(zhì)淀粉藏物質(zhì)淀粉等消失；隨著組織的活化，細胞內(nèi)核糖體增加并形成大等消失；隨著組織的活化，細胞內(nèi)核糖體增加并形成大量多聚核糖體；量多聚核糖體；rna迅速合成和累積迅速合成和累積。steward等等(1964)胡蘿卜試胡蘿卜試驗說明，與細胞數(shù)目增加前比，驗說明，與

34、細胞數(shù)目增加前比，rna的含量增加了的含量增加了8倍，但倍，但細胞的細胞的形態(tài)和大小沒有變化。形態(tài)和大小沒有變化。 30分裂期：細胞從開始分裂到持續(xù)分裂的時期分裂期：細胞從開始分裂到持續(xù)分裂的時期細胞開始分裂細胞開始分裂分裂期劃分分裂期劃分愈傷組織生長愈傷組織生長愈傷組織愈傷組織細胞團細胞團細胞的特點：細胞的特點： 細胞數(shù)目增加、體積變小、細胞數(shù)目增加、體積變小、核和核仁變大、核和核仁變大、rna含量持含量持續(xù)上升續(xù)上升。培養(yǎng)物的外層細。培養(yǎng)物的外層細胞迅速分裂。當細胞體積最胞迅速分裂。當細胞體積最小，細胞核和核仁最大，小，細胞核和核仁最大，rna含量最高時，標志著細含量最高時，標志著細胞處于

35、胞處于分裂高峰時期分裂高峰時期。31分化期：從愈傷組織形成到器官發(fā)生組織分化器官分化細胞分化植株形成 在適合的條件下，離體培養(yǎng)物可以分化出各種在適合的條件下，離體培養(yǎng)物可以分化出各種各樣的組織。各樣的組織。 其中，其中，擬分生組織擬分生組織和和維管組織維管組織為兩種重要的組織。為兩種重要的組織。因為一旦培養(yǎng)物中分化出這兩種組織，并且它們之因為一旦培養(yǎng)物中分化出這兩種組織，并且它們之間能發(fā)生一定的聯(lián)系，就可能導致間能發(fā)生一定的聯(lián)系，就可能導致器官原基器官原基的形成，的形成，從而進一步分化成器官。從而進一步分化成器官。 在此期間，在此期間， 細胞形態(tài)大小保持相對穩(wěn)定，體積細胞形態(tài)大小保持相對穩(wěn)定，

36、體積不再減小，愈傷組織不再增殖不再減小，愈傷組織不再增殖。細胞由原來分裂期。細胞由原來分裂期的平周分裂轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織內(nèi)部局部區(qū)域的分裂，形成的平周分裂轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織內(nèi)部局部區(qū)域的分裂，形成“瘤狀結(jié)構(gòu)瘤狀結(jié)構(gòu)”和和“片狀結(jié)構(gòu)片狀結(jié)構(gòu)”，這些結(jié)構(gòu)都是由分，這些結(jié)構(gòu)都是由分生組織構(gòu)成。生組織構(gòu)成。 32再生植株的形成途徑再生植株的形成途徑1、器官發(fā)生、器官發(fā)生概念：離體培養(yǎng)的組織、細胞在誘導條件下經(jīng)分裂和增殖再分化形概念：離體培養(yǎng)的組織、細胞在誘導條件下經(jīng)分裂和增殖再分化形 成根和芽等器官的過程。成根和芽等器官的過程。發(fā)生方式：有兩種發(fā)生方式發(fā)生方式：有兩種發(fā)生方式（1）直接發(fā)生直接發(fā)生：由（具有初生分生能

37、力的）外植體直接分化成器：由（具有初生分生能力的）外植體直接分化成器官的方式（由莖尖、腋芽、原球莖、塊莖、鱗莖等器官發(fā)生）官的方式（由莖尖、腋芽、原球莖、塊莖、鱗莖等器官發(fā)生） 。（2）間接發(fā)生間接發(fā)生：由外植體（已分化的成熟組織）經(jīng)脫分化形成愈：由外植體（已分化的成熟組織）經(jīng)脫分化形成愈傷組織后再分化形成器官的方式。傷組織后再分化形成器官的方式。 器官發(fā)生途徑器官發(fā)生途徑胚胎發(fā)生途徑胚胎發(fā)生途徑再生植株再生植株33再生植株的形成途徑再生植株的形成途徑2、胚胎發(fā)生、胚胎發(fā)生(embryogenesis) 概念：由培養(yǎng)細胞誘導分化出具胚概念：由培養(yǎng)細胞誘導分化出具胚芽、胚根、胚軸的胚狀結(jié)構(gòu)，亦稱

38、芽、胚根、胚軸的胚狀結(jié)構(gòu)，亦稱胚狀體。胚狀體。發(fā)生來源方式：四種發(fā)生來源方式：四種 （1）由）由外植體直接形成外植體直接形成：下胚軸、：下胚軸、子葉、莖表皮等外植體脫分化后可子葉、莖表皮等外植體脫分化后可直接產(chǎn)生胚。直接產(chǎn)生胚。 （2）由）由愈傷組織形成愈傷組織形成：愈傷形成：愈傷形成胚胎發(fā)生叢（胚胎發(fā)生叢（ec），可形成大量），可形成大量的胚狀體的胚狀體 （3）由懸浮細胞形成；）由懸浮細胞形成； （4）由單倍體細胞形成。）由單倍體細胞形成。34完整植株的形成完整植株的形成外植體外植體脫分化脫分化體細胞胚體細胞胚愈傷組織愈傷組織再分化再分化再分化再分化完整植株完整植株器官發(fā)生（芽、根）器官發(fā)生

39、（芽、根）35第四節(jié)第四節(jié) 培養(yǎng)細胞的遺傳變異培養(yǎng)細胞的遺傳變異一、培養(yǎng)細胞變異增多現(xiàn)象及其價值一、培養(yǎng)細胞變異增多現(xiàn)象及其價值 通常將組培中的變異分為兩類，即通常將組培中的變異分為兩類，即人工變異人工變異和和自然變異自然變異。 人工變異人工變異是人為誘發(fā)的變異，一般具有一定的方向性，主要用是人為誘發(fā)的變異，一般具有一定的方向性，主要用于選育種的研究于選育種的研究 ( (如秋水仙素、各種射線、如秋水仙素、各種射線、太空輻射太空輻射) ) ； 自然變異自然變異大多數(shù)沒有方向性，以劣變?yōu)橹鳎瑫o生產(chǎn)帶來巨大大多數(shù)沒有方向性，以劣變?yōu)橹鳎瑫o生產(chǎn)帶來巨大的損失，應(yīng)盡可能減少。的損失，應(yīng)盡可能減少。

40、對于對于育種研究育種研究而言，應(yīng)提高變異率以獲得較多的變異材料，對而言，應(yīng)提高變異率以獲得較多的變異材料，對于于組培快繁組培快繁而言，則必須使變異率降至盡可能低（而言，則必須使變異率降至盡可能低（5 5以內(nèi)以內(nèi)）。）。如果培養(yǎng)條件（包括培養(yǎng)基組成）不當，變異率可能會很高，如果培養(yǎng)條件（包括培養(yǎng)基組成）不當，變異率可能會很高，例如例如40-6040-60甚至甚至100100，遠遠高于田間栽培的變異率。，遠遠高于田間栽培的變異率。36香蕉香蕉的組培快繁中，各個階段都可能出現(xiàn)變異或異常的情況：的組培快繁中，各個階段都可能出現(xiàn)變異或異常的情況：芽的表現(xiàn)芽的表現(xiàn)：葉鞘肥大、變褐；芽細矮，葉鞘散開；葉鞘披散，新葉：葉鞘肥大、變褐；芽細矮，葉鞘散開；葉鞘披散，新葉 細；芽白化，葉鞘散開；芽基部呈球狀，顏色變褐；芽細長，葉細；芽白化，葉鞘散開；芽基部呈球狀，顏色變褐；芽細長，葉