植物細(xì)胞工程課件【知識(shí) 精講精研 】 高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

Cellengineering00細(xì)胞工程

細(xì)胞工程是指應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)等多學(xué)科的原理和方法，通過細(xì)胞器、細(xì)胞或組織水平上的操作，有目的地獲得特定的細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體或其產(chǎn)品的一門綜合性的生物工程。原理和方法操作水平目的分類細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)細(xì)胞器、細(xì)胞或組織獲得特定的細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體或其產(chǎn)品動(dòng)物細(xì)胞工程和植物細(xì)胞工程植物細(xì)胞工程發(fā)展歷程哈伯蘭特提出了細(xì)胞全能性的理論，但相關(guān)的實(shí)驗(yàn)嘗試沒有成功。斯圖爾德等發(fā)現(xiàn)胡蘿卜的體細(xì)胞可以分化為胚，為細(xì)胞全能性理論提供了強(qiáng)有力的支持?？平鹩谜婢睦w維素酶分解番茄根的細(xì)胞壁，成功獲得了原生質(zhì)體。古哈等在培養(yǎng)毛曼陀羅的花藥時(shí)，首次得到了由花藥中的花粉粒發(fā)育而來的胚?？柹T導(dǎo)煙草種間原生質(zhì)體融合，獲得了第一株體細(xì)胞種間雜種植株。土壤農(nóng)桿菌的Ti質(zhì)粒被發(fā)現(xiàn)。之后，該質(zhì)粒應(yīng)用于植物分子生物學(xué)領(lǐng)域，促進(jìn)了植物細(xì)胞工程與分子生物學(xué)技術(shù)的緊密結(jié)合。1902年1958年1960年1964年1971年1974年從社會(huì)中來蘭花種子通常發(fā)育不全，在自然條件下萌發(fā)率極低；傳統(tǒng)分株繁殖的方式，又存在繁殖周期長、繁殖率低等問題，如果靠自然繁殖，蘭花的價(jià)格可想而知了。如何能讓名貴的蘭花大量、快速地繁殖，從而走入尋常百姓家呢？利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)可以大量、快速地培育蘭花。第二章細(xì)胞工程

第1節(jié)植物細(xì)胞工程學(xué)習(xí)目標(biāo)概述植物組織培養(yǎng)和植物體細(xì)胞雜交技術(shù)的原理和過程。（科學(xué)思維）0102嘗試進(jìn)行植物組織培養(yǎng)。（生命觀念、科學(xué)思維）03舉例說明植物細(xì)胞工程的應(yīng)用有效提高了生產(chǎn)效率。（社會(huì)責(zé)任）植物組織培養(yǎng)技術(shù)一2.原理：1.概念：指

的植物器官、組織或細(xì)胞等，培養(yǎng)在人工控制的培養(yǎng)基上，給予適宜的培養(yǎng)條件，誘導(dǎo)其分化為

的技術(shù)。離體完整植株植物細(xì)胞的全能性細(xì)胞經(jīng)過

后，仍然具有產(chǎn)生完整生物體或分化成其他各種細(xì)胞的潛能。分裂和分化1.具有全能性的原因：一般生物體的每一個(gè)細(xì)胞都包含有該物種的

。即都有發(fā)育成

所必需的全部遺傳信息。全套遺傳信息完整個(gè)體2.生物體內(nèi)細(xì)胞不體現(xiàn)全能性的原因：基因在特定的時(shí)間和空間條件下

表達(dá)的結(jié)果。選擇性外植體植物組織培養(yǎng)技術(shù)一3.一般過程：外植體愈傷組織試管苗完整植株脫分化芽、根等再分化生長發(fā)育接種外植體誘導(dǎo)愈傷組織誘導(dǎo)生芽誘導(dǎo)生根移栽成活脫分化再分化再分化分化狀態(tài)未分化狀態(tài)植物組織培養(yǎng)技術(shù)一外植體愈傷組織試管苗完整植株脫分化芽、根等再分化生長發(fā)育1.脫分化：在一定的

和

等條件的

下，

的細(xì)胞

，轉(zhuǎn)變成

的過程。激素營養(yǎng)誘導(dǎo)已經(jīng)分化失去其特有的結(jié)構(gòu)和功能未分化的細(xì)胞①光照條件：②過程中涉及的生命活動(dòng)：一般不需要光照只有細(xì)胞增殖（有絲分裂），沒有細(xì)胞分化③結(jié)果形成愈傷組織細(xì)胞排列疏松且無規(guī)則、高度液泡化、呈無定形狀態(tài)的薄壁細(xì)胞團(tuán)。植物組織培養(yǎng)技術(shù)一注意說明1.外植體脫分化的難易因植物種類、器官來源及生理狀況的不同而不同。一般來說，植物的花和幼嫩的組織脫分化相對(duì)較易，而植物的莖、葉等成熟的組織脫分化則較難。2.該過程添加的外源激素主要是細(xì)胞分裂素和生長素（比例適中），

因?yàn)槎吣軓?qiáng)烈地促進(jìn)愈傷組織的形成。3.無菌操作——植物組織培養(yǎng)成功的關(guān)鍵。植物組織培養(yǎng)技術(shù)一2.再分化：脫分化產(chǎn)生的愈傷組織繼續(xù)進(jìn)行培養(yǎng)，又可以

出芽或根等器官的過程。重新分化①實(shí)質(zhì)：②光照條件：基因的選擇性表達(dá)需要給予適當(dāng)強(qiáng)度的光照誘導(dǎo)葉綠素的合成，使試管苗能夠進(jìn)行光合作用原因：③過程中涉及的生命活動(dòng)：既有細(xì)胞增殖（有絲分裂），又有細(xì)胞分化。④結(jié)果：愈傷組織芽低高根生長素細(xì)胞分裂素胚狀體植物組織培養(yǎng)技術(shù)一植物組織培養(yǎng)的兩種途徑胚狀體途徑器官發(fā)生途徑植物組織培養(yǎng)技術(shù)一影響植物組織再分化的因素a.外植體的遺傳特征和取材的位置會(huì)影響愈傷組織的再分化能力。b.培養(yǎng)基的成分和物理性質(zhì)對(duì)器官的形成有一定的影響，但起決定作用的是植物激素，特別是生長素和細(xì)胞分裂素的配比。注意說明3.生長發(fā)育：將試管苗移到大田中栽培或進(jìn)行無土栽培，使之進(jìn)一步生長發(fā)育為具有根、莖、葉且能開花、結(jié)果的完整植株。植物組織培養(yǎng)技術(shù)一脫分化再分化過程外植體→愈傷組織愈傷組織→幼苗結(jié)果形成愈傷組織形成根、芽需要條件a.離體b.適宜的營養(yǎng)c.生長素與細(xì)胞分裂素的比例適中d.一般不需光a.離體b.適宜的營養(yǎng)c.生長素與細(xì)胞分裂素的比例高或低誘導(dǎo)生根或生芽d.光照決定植物脫分化、再分化的關(guān)鍵因素植物組織培養(yǎng)技術(shù)一生長素/細(xì)胞分裂素

結(jié)果比值高(＜1)比值低(＞1)比值適中(=1)有利于芽的分化，抑制根的形成有利于根的分化，抑制芽的形成促進(jìn)愈傷組織的形成簡記為：“高”根，“低”芽，“中”愈傷植物組織培養(yǎng)技術(shù)一植物組織培養(yǎng)技術(shù)一固體基質(zhì)型，含水量高、蓄水性強(qiáng)、透性好，適合栽培珍珠巖

,珍珠巖是一種火山噴發(fā)的酸性熔巖，經(jīng)急劇冷卻而成的玻璃質(zhì)巖石，有弧形或圓形裂隙，如珍珠的結(jié)構(gòu)，所以被命名為珍珠巖。蛭石是一種天然、無毒的礦物質(zhì)，在高溫作用下會(huì)膨脹的礦物。它是一種比較少見的礦物，屬于硅酸鹽。植物組織培養(yǎng)技術(shù)一幼苗愈傷組織脫分化CTK/IAA比例適合再分化IAA/CTK比例先減小再增大植物組織培養(yǎng)過程示意圖完整植株外植體植物組織培養(yǎng)技術(shù)一外植體愈傷組織試管苗完整植株脫分化芽、根等再分化生長發(fā)育黑暗光照離體無菌培養(yǎng)基適宜的外界條件(溫度、光照、氣體等)水瓊脂有機(jī)物無機(jī)物植物激素蔗糖：提供能量、調(diào)節(jié)滲透壓。植物激素：主要是生長素和細(xì)胞分裂素。植物組織培養(yǎng)技術(shù)一（1）離體狀態(tài)（2）無菌操作（3）種類齊全、比例適合的營養(yǎng)物質(zhì)（4）植物激素（主要是生長素和細(xì)胞分裂素）誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)（5）適宜的外界條件（溫度、pH、光照等）歸納——細(xì)胞表現(xiàn)全能性的條件植物體細(xì)胞雜交技術(shù)二1.概念：將不同來源的植物細(xì)胞，在一定條件下融合成雜種細(xì)胞，并把雜種細(xì)胞培育成新植物體的技術(shù)。融合實(shí)例:+=白菜甘藍(lán)白菜-甘藍(lán)植物體細(xì)胞雜交技術(shù)二細(xì)胞融合初期人細(xì)胞鼠細(xì)胞人鼠雜交細(xì)胞細(xì)胞融合細(xì)胞融合37°培養(yǎng)40min參考動(dòng)物細(xì)胞融合，若是植物細(xì)胞之間的雜交，則應(yīng)先做什么？得到雜種細(xì)胞后，如何培育成植株？去除細(xì)胞壁（獲得原生質(zhì)體）原生質(zhì)體：是指去除細(xì)胞壁后的植物細(xì)胞原生質(zhì)層：是指植物細(xì)胞的液泡膜、細(xì)胞膜及其之間的細(xì)胞質(zhì)構(gòu)成的紅色熒光素標(biāo)記的抗體綠色熒光素標(biāo)記的抗體植物體細(xì)胞雜交技術(shù)二2.過程：A細(xì)胞B細(xì)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(xì)胞愈傷組織雜種植株移栽后的植株①①②③④⑤⑥①去除細(xì)胞壁纖維素酶去壁：酶解法果膠酶②誘導(dǎo)融合物理法：化學(xué)法電融合法、離心法聚乙二醇（PEG）融合法高Ca2+

-高pH融合法等③細(xì)胞壁再生④脫分化⑤再分化⑥移栽植物細(xì)胞融合植物組織培養(yǎng)植物細(xì)胞的全能性細(xì)胞膜的流動(dòng)性植物體細(xì)胞雜交技術(shù)二體細(xì)胞融合成功后培養(yǎng)基中共有

種細(xì)胞類型()，其中融合細(xì)胞類型有3種()，而真正符合要求的是AB，因此要對(duì)融合細(xì)胞進(jìn)行篩選。細(xì)胞融合后，共有幾種細(xì)胞類型？融合細(xì)胞有幾種，符合要求的是哪種？AB5A、B、AA、BB、ABAA、BB、AB（1）植物細(xì)胞融合完成的標(biāo)志：再生出新的細(xì)胞壁（2）植物體細(xì)胞雜交完成的標(biāo)志：培育成新植物體打破生殖隔離，克服遠(yuǎn)緣雜交不親和的障礙，培育植物新品種。在此過程中活躍的細(xì)胞器是

。線粒體和高爾基體3.標(biāo)志：4.意義：植物體細(xì)胞雜交技術(shù)二+=白菜甘藍(lán)白菜-甘藍(lán)1.白菜（2N=18）與甘藍(lán)（2N=18）體細(xì)胞雜交所得植株白菜-甘藍(lán)的細(xì)胞染色體數(shù)為

，屬于

倍體。36

（異源）四

2.白菜（2N=18）與甘藍(lán)（2N=18）進(jìn)行雜交（相互授粉），

所得植株白菜-甘藍(lán)的細(xì)胞染色體數(shù)為

，屬于

倍體。（異源）二

18

基因重組植物體細(xì)胞雜交技術(shù)二染色體數(shù)目變異

生殖類型變異類型染色體數(shù)染色體組數(shù)基因組成無性繁殖，育種過程中不遵循孟德爾定律染色體數(shù)目變異兩親本染色體數(shù)之和。2n+2m兩親本染色體組數(shù)之和。2+2兩親本基因型之和。AaBbCcDd5.變異類型：植物體細(xì)胞雜交技術(shù)二植物體細(xì)胞雜交育種四倍體雜交育種誘導(dǎo)多倍體四倍體二倍體如何處理植株使其可育？看減數(shù)分裂聯(lián)會(huì)、配對(duì)能否正常進(jìn)行?、偃粲H本植株可育，

則雜種植株可育。②雜種植株是不同于

親本的新物種?？偨Y(jié)概念植物細(xì)胞融合原生質(zhì)體制備過程變異類型植物組織培養(yǎng)原生質(zhì)體融合原理育種類型原理過程花藥離體培養(yǎng)細(xì)胞全能性操作步驟脫分化再分化外植體根、芽、胚狀體愈傷組織外植體消毒接種切塊形成愈傷組織誘導(dǎo)生芽生根植物體細(xì)胞雜交植物組織培養(yǎng)植物細(xì)胞工程優(yōu)缺點(diǎn)練習(xí)與應(yīng)用1.下圖是利用甲、乙兩種植物的各自優(yōu)勢(shì)，通過植物細(xì)胞工程技術(shù)培育高產(chǎn)、耐鹽的雜種植株的實(shí)驗(yàn)流程圖。下列相關(guān)敘述錯(cuò)誤的是（）A.進(jìn)行a處理時(shí)能用胰蛋白酶B.b是誘導(dǎo)融合后得到的雜種細(xì)胞C.c是培養(yǎng)后得到的具有耐鹽性狀

的幼芽D.進(jìn)行d選擇時(shí)要將植株種在高鹽

環(huán)境中A練習(xí)與應(yīng)用2.科學(xué)家在制備原生質(zhì)體時(shí)，有時(shí)使用蝸牛消化道提取液來降解植物細(xì)胞的細(xì)胞壁。據(jù)此分析，蝸牛消化道提取液中可能含有什么成分?纖維素酶和果膠酶"番茄—馬鈴薯"沒有像人們預(yù)想的那樣地上結(jié)番茄、地下長馬鈴薯，主要原因是∶生物體內(nèi)基因的表達(dá)不是孤立的，它們之間是相互調(diào)控、相互影響的，所以"番茄—馬鈴薯"雜種植株的細(xì)胞中雖然具備兩個(gè)物種的遺傳物質(zhì)，但這些遺傳物質(zhì)的表達(dá)相互干擾，它們不能再像馬鈴薯或番茄植株中的遺傳物質(zhì)一樣有序表達(dá)，雜種植株自然就不能地上結(jié)番茄、地下長馬鈴薯了。3."番茄—馬鈴薯"雜種植株沒有如科學(xué)家所想象的那樣，地上結(jié)番茄，地下長馬鈴薯，這是為什么?植物繁殖的新途徑三1.快速繁殖（1）概念：用于快速繁殖優(yōu)良品種的植物組織培養(yǎng)技術(shù)。也叫微型繁殖。20世紀(jì)60年代，荷蘭科學(xué)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)。我國組織培養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于蘭花種苗的規(guī)模化繁殖，使得名貴的蘭花價(jià)格大幅下降。（2）生殖方式：（3）原理：一般為無性生殖植物細(xì)胞的全能性（4）優(yōu)點(diǎn)：①高效、快速地實(shí)現(xiàn)種苗的大量繁殖。②保持優(yōu)良品種的遺傳特性。③不受自然生長季節(jié)的限制，培養(yǎng)周期短。④選材少，繁殖率高，便于自動(dòng)化管理。其細(xì)胞分裂方式是有絲分裂，親、子代細(xì)胞DNA相同，所以可以保持親代優(yōu)良的遺傳特性。植物組織培養(yǎng)可以進(jìn)行快速繁殖的原因是什么？思考植物組織培養(yǎng)到愈傷組織階段，細(xì)胞進(jìn)行旺盛、快速的有絲分裂，從而獲得大量的組織細(xì)胞。不斷地對(duì)愈傷組織進(jìn)行分割、移瓶、誘導(dǎo)再分化就可以形成大量的新植株。另外，植物組織培養(yǎng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，一般不受季節(jié)、氣候等條件的限制。實(shí)際應(yīng)用：快速繁殖經(jīng)濟(jì)苗木、名貴花卉、珍稀瀕危植物等自然繁殖速度緩慢，繁殖效率低下或優(yōu)良性狀不易保持的植物。植物繁殖的新途徑三2.作物脫毒a.作物病毒積累感染的病毒很容易傳給后代無性繁殖病毒在作物體內(nèi)積累作物產(chǎn)量降低品質(zhì)變差c.優(yōu)點(diǎn)：明顯提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)b.脫毒方法取材：頂端分生區(qū)（如莖尖、根尖：病毒極少，甚至無毒）組培脫毒苗注：脫毒苗不等于抗毒苗。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。作物新品種的培育四單倍體由生殖細(xì)胞直接發(fā)育而來，無論體細(xì)胞中含有幾個(gè)染色體組一律稱為單倍體。①成因：②代表生物：③特點(diǎn)：由配子（如卵細(xì)胞、花粉等）直接發(fā)育而成。蜜蜂中的雄蜂枝葉莖桿弱小，果實(shí)多而小，一般高度不育（不是全部）。④應(yīng)用：單倍體育種選擇親本有性雜交F1代花粉離體培養(yǎng)單倍體植株誘變?nèi)旧w加倍可育純合子選擇所需類型二倍體植株花藥離體培養(yǎng)單倍體植株人工誘導(dǎo)正常植株（純合子）種子自交萌發(fā)新植株（新品種）二倍體植株擁有正常染色體數(shù)目染色體數(shù)目變異、植物細(xì)胞的全能性作物新品種的培育——單倍體育種四（抗倒伏，不抗?。沟狗共。┗ㄋ帲ǚ郏簡伪扼w幼苗：DTDtdTdt正常植株：DDTTDDttddTTddtt新品種：DDtt方法：花藥離體培養(yǎng)秋水仙素處理2.缺點(diǎn)：操作復(fù)雜1.優(yōu)點(diǎn)：能明顯縮短育種年限D(zhuǎn)DTT（♀）×ddtt（♂）第一年第二年篩選DdTt（抗倒伏，不抗病）（倒伏，抗病）二倍體生物（組織培養(yǎng)）DdTt植株DTDtdTdt花藥離體培養(yǎng)和人工誘導(dǎo)染色體數(shù)目加倍作物新品種的培育——單倍體育種四優(yōu)良品種花藥花粉離體培養(yǎng)單倍體純合二倍體人工誘導(dǎo)染色體加倍選擇作物新品種的培育——單倍體育種四取花藥單倍體幼苗脫分化純合二倍體人工誘導(dǎo)染色體加倍優(yōu)良品種選擇愈傷組織再分化花藥離體培養(yǎng)后代都是純合子，能穩(wěn)定遺傳；明顯縮短育種年限，加速育種進(jìn)程。作物新品種的培育——單倍體育種四AaAaAAaa單倍體(n)純合二倍體(2n)二倍體(2n)大多數(shù)單倍體植株的細(xì)胞中只含有一套染色體，染色體加倍后得到的植株的隱性性狀容易出現(xiàn)。因此它也是進(jìn)行體細(xì)胞誘變育種和研究遺傳突變的理想材料。作物新品種的培育——突變體的利用四（1）原理：在植物組織培養(yǎng)過程中，由于培養(yǎng)細(xì)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(xué)物質(zhì)等）的影響而產(chǎn)生突變。（2）過程：外植體新品種篩選培育愈傷組織脫分化多種突變體誘導(dǎo)分化誘變處理（3）利用：篩選對(duì)人們有利的突變體,進(jìn)而培育成新品種。（4）優(yōu)點(diǎn)：提高變異的頻率，加速育種進(jìn)程。大幅度地改良某些性狀。細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)——植物的代謝產(chǎn)物五1.初生代謝物：初生代謝是生物生長和生存所必需的代謝活動(dòng)，初生代謝物有糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸等。2.次生代謝物：植物代謝會(huì)產(chǎn)生一些一般認(rèn)為不是植物基本的生命活動(dòng)所必需的產(chǎn)物—次生代謝物。（1）含義糖類、脂質(zhì)、

和核酸等。蛋白質(zhì)（2）種類化學(xué)本質(zhì)作用應(yīng)用直接獲取困難化學(xué)合成困難利用植物細(xì)胞培養(yǎng)來獲得目標(biāo)產(chǎn)物細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)小分子有機(jī)物(酚類、萜類和含氮類)植物抗病、抗蟲藥物、香料、色素含量低、從植物組織提取會(huì)大量破壞植物資源有些產(chǎn)物不能或難以通過化學(xué)合成途徑得到細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)五利用植物細(xì)胞培養(yǎng)來獲得目標(biāo)產(chǎn)物，這個(gè)過程就是細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)。外植體愈傷組織細(xì)胞懸液脫分化振蕩分散細(xì)胞懸浮培養(yǎng)細(xì)胞產(chǎn)物提取優(yōu)勢(shì)不占用耕地、不受季節(jié)、天氣的限制，對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保具有重要意義。紫草寧、紫杉醇、人參皂苷的植物細(xì)胞工程產(chǎn)品。實(shí)例紫草寧——具有抗菌、消炎和抗腫瘤等活性紫杉醇——具有高抗癌活性，已被用于乳腺癌等癌癥的治療到社會(huì)中去“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(bǔ)充水分和營養(yǎng)物質(zhì)，它們就能在玻璃瓶中生長三四個(gè)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(gè)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(jià)值。總結(jié)外植體愈傷組織試管苗脫分化再分化植株作物脫毒選擇頂端分生組織快速繁殖單倍體育種選擇花藥進(jìn)行誘變突變體的利用分散后懸浮培養(yǎng)3.細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)2.植物新品質(zhì)的培育1.植物繁殖的新途徑篩選練習(xí)與應(yīng)用1.運(yùn)用植物細(xì)胞工程技術(shù)可以培育單倍體植株和進(jìn)行細(xì)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）