第二章-細(xì)胞工程-第1節(jié)-植物細(xì)胞工程

第1節(jié)植物細(xì)胞工程一、細(xì)胞工程概念及植物組織培養(yǎng)技術(shù)1．細(xì)胞工程的含義原理和方法細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)等操作水平細(xì)胞水平、細(xì)胞器水平或組織水平目的獲得特定的細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體或其產(chǎn)品分類(lèi)植物細(xì)胞工程和動(dòng)物細(xì)胞工程2.細(xì)胞的全能性(1)定義：細(xì)胞經(jīng)分裂和分化后，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。(2)在生物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，并不是所有的細(xì)胞都表現(xiàn)出全能性，這是因?yàn)樵谔囟ǖ臅r(shí)間和空間條件下，細(xì)胞中的基因會(huì)選擇性地表達(dá)。3．植物組織培養(yǎng)技術(shù)(1)概念：將離體的植物器官、組織或細(xì)胞等，培養(yǎng)在人工配制的培養(yǎng)基上，給予適宜的培養(yǎng)條件，誘導(dǎo)其形成完整植株的技術(shù)。(2)理論基礎(chǔ)：植物細(xì)胞的全能性。(3)前提：離體的植物器官、組織或細(xì)胞等。(4)條件：激素、人工配制的培養(yǎng)基上、適宜的培養(yǎng)條件。(5)結(jié)果：脫分化形成愈傷組織，再誘導(dǎo)其再分化成胚狀體，長(zhǎng)出芽和根，進(jìn)而發(fā)育成完整的植株。(6)相關(guān)概念①外植體：用于植物組織培養(yǎng)的離體的植物器官、組織或細(xì)胞。②脫分化：已經(jīng)分化的細(xì)胞，在一定激素和營(yíng)養(yǎng)等條件的誘導(dǎo)下，失去其特有的結(jié)構(gòu)和功能，轉(zhuǎn)變成未分化的細(xì)胞。③愈傷組織：脫分化而形成的不定形的薄壁組織團(tuán)塊。④再分化：愈傷組織重新分化成芽、根等器官的過(guò)程。4．菊花的組織培養(yǎng)【歸納總結(jié)】生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素的用量生長(zhǎng)素/細(xì)胞分裂素的比值作用效果比值高時(shí)促進(jìn)根的分化、抑制芽的形成比值低時(shí)促進(jìn)芽的分化、抑制根的形成比值適中時(shí)促進(jìn)愈傷組織的形成【強(qiáng)化記憶】1．植物細(xì)胞具有全能性的原因是什么？提示植物細(xì)胞具有本物種的全部遺傳信息。2．在生物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞并不會(huì)表現(xiàn)出全能性，而是分化成各種組織和器官的原因是在特定的時(shí)間和空間條件下，細(xì)胞中的基因會(huì)有選擇地表達(dá)。3．請(qǐng)用流程圖的形式寫(xiě)出植物組織培養(yǎng)的過(guò)程。提示外植體eq\o(→,\s\up7(脫分化))愈傷組織eq\o(→,\s\up7(再分化))胚狀體eq\o(→,\s\up7(誘導(dǎo)))生芽eq\o(→,\s\up7(誘導(dǎo)))生根eq\o(→,\s\up7(誘導(dǎo)))試管苗。4．在菊花組織培養(yǎng)過(guò)程中，在愈傷組織的誘導(dǎo)階段往往要避光培養(yǎng)，有利于細(xì)胞脫分化產(chǎn)生愈傷組織(如果是在光照條件下，容易分化產(chǎn)生維管等組織，不利于產(chǎn)生大量的愈傷組織)。當(dāng)愈傷組織分化出芽和葉時(shí)，一定要有光照，有利于葉片內(nèi)葉綠素的合成。二、植物體細(xì)胞雜交技術(shù)1．概念：將不同來(lái)源的植物體細(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)。2．過(guò)程(1)去壁：用纖維素酶和果膠酶去除植物細(xì)胞壁，獲得原生質(zhì)體。(2)人工誘導(dǎo)原生質(zhì)體融合的方法①物理法：電融合法、離心法等。②化學(xué)法：聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。3．植物體細(xì)胞雜交的原理原生質(zhì)體融合的過(guò)程利用了細(xì)胞膜的流動(dòng)性，雜種細(xì)胞發(fā)育成雜種植株利用了植物細(xì)胞的全能性。4．意義：打破生殖隔離、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)緣雜交育種，培育植物新品種。5．實(shí)例：白菜—甘藍(lán)、普通小麥—長(zhǎng)穗偃麥草，多種柑橘屬不同種間的雜種植株。【強(qiáng)化記憶】1．通過(guò)植物體細(xì)胞雜交獲得的雜種植株具有雙親的性狀，因此有同學(xué)認(rèn)為“該項(xiàng)技術(shù)為有性生殖”，你同意他的觀點(diǎn)嗎？提示不同意，植物體細(xì)胞雜交技術(shù)沒(méi)有生殖細(xì)胞的形成和結(jié)合，應(yīng)屬于無(wú)性繁殖。2．若A細(xì)胞具有2x條染色體，2個(gè)染色體組，基因型為Aabb。B細(xì)胞含有2y條染色體，2個(gè)染色體組，基因型為ccDd，則通過(guò)植物體細(xì)胞雜交技術(shù)獲得的新植株的染色體條數(shù)：2x＋2y；染色體組數(shù)：4個(gè)；基因型：AabbccDd；屬于可遺傳變異類(lèi)型中的染色體數(shù)目變異。3．科學(xué)家培育出了“番茄—馬鈴薯”雜種植株，但并沒(méi)有獲得預(yù)期的性狀，主要原因是生物基因的表達(dá)不是孤立的，兩個(gè)物種的遺傳物質(zhì)的表達(dá)受到相互干擾。三、植物繁殖的新途徑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)，也叫作微型繁殖技術(shù)。(2)特點(diǎn)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(①高效、快速地實(shí)現(xiàn)種苗的大量繁殖,②無(wú)性繁殖，保持優(yōu)良品種的遺傳特性,③可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)))(3)實(shí)例：一些優(yōu)良的觀賞植物、經(jīng)濟(jì)林木、無(wú)性繁殖作物和瀕危植物等都實(shí)現(xiàn)了利用快速繁殖技術(shù)來(lái)提供苗木。甘蔗、桉樹(shù)和鐵皮石斛等試管苗的生產(chǎn)，已形成一定規(guī)模。2．作物脫毒(1)選材部位：植物頂端分生區(qū)附近的部位(如莖尖)。(2)優(yōu)點(diǎn)：提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。(3)實(shí)例：采用莖尖組織培養(yǎng)技術(shù)脫去病毒，已在馬鈴薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠蘿和香蕉等許多作物上獲得成功?！緩?qiáng)化記憶】1．經(jīng)植物組織培養(yǎng)技術(shù)培育出的脫毒苗抗病毒嗎？提示不抗病毒。“脫毒”與“抗毒”不同，前者指的是本身病毒少，甚至無(wú)病毒，受病毒感染的機(jī)會(huì)少，而后者指的是能抵抗病毒的感染。2．從植物體上獲取的任何細(xì)胞，經(jīng)組織培養(yǎng)得到的植株與親本性狀一定都完全一致嗎？提示不一定。若培養(yǎng)植物的花粉細(xì)胞，得到的是單倍體，與親本性狀不完全一致。四、作物新品種的培育和細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)1．單倍體育種(1)原理：細(xì)胞的全能性和染色體變異。(2)過(guò)程：花藥(或花粉)eq\o(→,\s\up7(離體培養(yǎng)))單倍體植株eq\o(→,\s\up7(人工誘導(dǎo)),\s\do5(染色體加倍))純合二倍體植株eq\o(→,\s\up7(選擇))優(yōu)良品種。(3)優(yōu)點(diǎn)①子代是能穩(wěn)定遺傳的純合子。②極大地縮短了育種的年限。③是進(jìn)行體細(xì)胞誘變育種和研究遺傳突變的理想材料。(4)實(shí)例①世界上第一個(gè)單倍體作物新品種——單育1號(hào)煙草。②單倍體育種與常規(guī)育種相結(jié)合的新品種：水稻、玉米、油菜、甘藍(lán)和甜椒等。2．突變體的利用(1)原理：在植物的組織培養(yǎng)過(guò)程中，由于培養(yǎng)細(xì)胞一直處于不斷增殖的狀態(tài)，因此它們?nèi)菀资艿脚囵B(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。從產(chǎn)生突變的個(gè)體中可以篩選出對(duì)人們有用的突變體，進(jìn)而培育成新品種。(2)過(guò)程(3)利用：篩選出有用的突變體，培育新品種。如培育抗病、抗鹽、高產(chǎn)以及蛋白質(zhì)含量高的突變體。(4)實(shí)例：抗花葉病毒的甘蔗、抗鹽堿的煙草等。3．細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)(1)細(xì)胞產(chǎn)物類(lèi)型①初生代謝物：初生代謝是生物生長(zhǎng)和生存所必需的代謝活動(dòng)，在整個(gè)生命過(guò)程中一直進(jìn)行著。初生代謝物是通過(guò)初生代謝產(chǎn)生的，自身生長(zhǎng)繁殖所必需的物質(zhì)，如糖類(lèi)、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等。②次生代謝物：次生代謝不是生物生長(zhǎng)所必需的，一般在特定的組織或器官中，并在一定的環(huán)境和時(shí)間條件下進(jìn)行，在該過(guò)程中產(chǎn)生的一類(lèi)小分子有機(jī)化合物就是次生代謝物，如酚類(lèi)、萜類(lèi)和含氮化合物等。(2)技術(shù)：植物細(xì)胞培養(yǎng)，指在離體條件下對(duì)單個(gè)植物細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)進(jìn)行培養(yǎng)使其增殖的技術(shù)。(3)過(guò)程(4)實(shí)例：人參、三七、紫草和紅豆杉的細(xì)胞產(chǎn)物都已實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)。(5)意義：不占用耕地，幾乎不受季節(jié)、天氣等的限制，因此對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)具有重要意義?！緩?qiáng)化記憶】1．回答與單倍體育種有關(guān)的問(wèn)題：(1)以流程圖的形式表示單倍體育種過(guò)程。提示正常植株→花藥eq\o(→,\s\up7(離體培養(yǎng)))單倍體幼苗eq\o(→,\s\up7(秋水仙素),\s\do5(處理))純合子→選擇所需類(lèi)型。(2)該過(guò)程利用了什么原理？提示利用了植物細(xì)胞的全能性和染色體(數(shù)目)變異的原理。2．回答與突變體的利用有關(guān)的問(wèn)題：突變體的利用過(guò)程如圖所示：誘變處理↓外植體eq\o(→,\s\up7(脫分化))愈傷組織→突變體eq\o(→,\s\up7(篩選培育))新品種↑誘導(dǎo)分化請(qǐng)據(jù)圖分析：(1)突變體育種的原理是什么？提示基因突變和植物細(xì)胞的全能性。(2)在培養(yǎng)至愈傷組織時(shí)進(jìn)行誘變處理的原因是什么？提示愈傷組織細(xì)胞分裂旺盛，一直處于不斷增殖的狀態(tài)，此時(shí)易發(fā)生基因突變。(3)誘導(dǎo)分化得到的突變體都可以利用嗎？為什么？提示大都不可以。因?yàn)榛蛲蛔兙哂卸嗪ι倮裕吹玫降耐蛔凅w大多是有害的。3．細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)(1)與傳統(tǒng)的從植物體內(nèi)提取相比，工廠化生產(chǎn)細(xì)胞產(chǎn)物有哪些優(yōu)點(diǎn)？提示不占用耕地，幾乎不受季節(jié)、天氣等的限制。(2)為什么不能從植物體內(nèi)直接提??？提示由于植物細(xì)胞的次生代謝物含量很低，從植物組織提取會(huì)大量破壞植物資源，有些產(chǎn)物又不能或難以通過(guò)化學(xué)合成途徑得到?！颈乇持R(shí)】植物細(xì)胞工程的應(yīng)用eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(植物繁殖的新途徑\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(快速繁殖,作物脫毒)),作物新品種的培育\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(單倍體育種,突變體的利用)),細(xì)胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(紫草寧,紫杉醇,人參皂苷))))1．植物組織培養(yǎng)技術(shù)的理論基礎(chǔ)是植物細(xì)胞的全能性。2．植物組織培養(yǎng)的基本過(guò)程：外植體eq\o(→,\s\up7(脫分化))愈傷組織eq\o(→,\s\up7(再分化))胚狀體eq\o(→,\s\up7(誘導(dǎo)))生芽、生根→植株。3．植物體細(xì)胞雜交技術(shù)的理論基礎(chǔ)是細(xì)胞膜的流動(dòng)性和細(xì)胞的全能性。4．去除細(xì)胞壁制備原生質(zhì)體用到的酶是纖維素酶和果膠酶。5．人工誘導(dǎo)原生質(zhì)體融合的方法有物理法(電融合法、離心法等)和化學(xué)法[聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等]。6．植物體細(xì)胞雜交技術(shù)打破生殖隔離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)緣雜交育種。7．植物的快速繁殖技術(shù)不僅可以高效、快速地實(shí)現(xiàn)種苗的大量繁殖，還可以保持優(yōu)良品種的遺傳特性。8．植物頂端分生區(qū)附近(如莖尖)的病毒極少，甚至無(wú)病毒，因此，切取