高中生物人教版（2019）选择性必修3 2.1植物细胞工程（共49张ppt）

(共49张PPT)
人教版（2019）高中生物选择性必修3
第二章 细胞工程
2.1 植物细胞工程
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
细胞工程是指应用_______________ ___________________和 的原理和方法，通过_______ _、_________ _上的操作，有目的的获得特定的___ __的一门综合性生物工程。
什么叫细胞工程？
按操作对象分
植物细胞工程
动物细胞工程
原理方法
研究目的
细胞生物学
分子生物学
细胞或组织水平
细胞器水平
细胞、组织、器官、个体或其产品
发育生物学
研究水平
科技探究之路细胞工程的发展历程
1907年哈里森用一滴淋巴液成功培养了蝌蚪的神经元，首创了动物组织体外培养法
1958年斯图尔德等发现胡萝卜的体细胞可以分化为胚，为细胞全能性理论提供了强有力的支持。
1998年汤姆森和吉尔哈特获得可体外培养的人胚胎干细胞
2006年山中伸弥获得诱导多能干细胞
1975年米尔斯坦和科勒获得能稳定遗传的单克隆抗体的杂交瘤细胞株。
1971年卡森诱导烟草原生质体融合，培育出第一株体细胞杂交植物
1960年科金用真菌的纤维素酶分解番茄根的细胞壁，成功获得了原生质体。
1996年世界上第一只体细胞克隆羊多莉诞生，随后多种克隆动物相继问世。
2017年我国科学家首次培育了体细胞克隆猴。
植物组织培养技术
从古至今，我国人民都把兰花看作高洁、典雅的象征，很多人喜欢养兰花。 但是兰花种子通常发育不全，在自然条件下萌发率极低；传统分株繁殖的方式，又存在繁殖周期长、繁殖率低等问题，如果靠自然繁殖，兰花的价格可想而知了。
如何能让名贵的兰花大量、快速地繁殖，从而走入寻常百姓家呢？
【从社会中来】
“其芽茸茸，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨夫花开，凝晴露，万态千妍，薰风自来，四坐芬郁，岂非入兰室乎！”
一、植物细胞工程的基本技术
1.全能性定义：
细胞经过分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。
2.具有全能性的原因：
生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质。
3.体现全能性的标志：
细胞→ 完整个体或其他各种细胞
实例：胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株
受精卵发育成个体（动植物）
蜜蜂受精卵发育成工蜂，卵细胞发育成雄峰
用一片叶子、一片花瓣、一粒花粉繁殖出新的植株
4.不体现全能性的实例：
芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶
5.不体现全能性的原因：
基因在特定时间、空间条件下选择性表达
6.全能性大小的比较：
①受精卵>胚胎干细胞>生殖细胞>体细胞；
②植物细胞>动物细胞。
随着细胞分化程度的不断提高,细胞的全能性逐渐降低。
细胞全能性实例：
——多肉进行叶插繁殖
1.选取多肉上健康、饱满的叶片。
2.用剪刀切下整片叶片，切口要平滑、整齐。也可以直接用手轻轻掰下叶片。
3.平躺放在沙床上，叶片间隔相聚2~3厘米。
4.叶片切口不要有碰脏，摆放通风处2~3天，晾干。
5.待叶片晾干后移至半阴处养护。
6.约2~3周后生根，或从叶基处长出不定芽。
7.叶插成功
（一）植物组织培养技术
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽等
试管苗
驯化移栽
完整植株
1.概念：
3.一般过程：
指离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其分化为完整植株的技术。
移栽成活
2.理论基础：
细胞的全能性
根、芽
植物体
脱分化
再分化
培养条件：
①无菌
②营养物质
③适宜环境条件（温度、PH、光等）
④植物激素：
细胞分裂素 生长素
如：胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、月季的花药…
植物组织培养技术--过程
遮光
一定的光照
芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照
排列不规则，高度液泡化，呈不定形状态的薄壁细胞
愈伤组织
离体的植物器官、组织或细胞（外植体）
愈伤组织重新分化为芽、根等器官
失去特有结构和功能转变成未分化的细胞
愈伤组织的细胞排列疏松而无规则是一种高度液泡化的无定形状态的细胞。愈伤组织形成以后，如果在原来的培养基上续培养，就会由于培养基中养分不足或有毒代谢产物的，导致愈伤组织生长停止，甚至老化变黑乃至死亡。如果要愈伤组织续生长增殖，必须定期地将它们分成小，接种到新鲜的培养基上，这样愈伤组织就可以长期保持旺盛的生长。愈伤组织的再分化主要有两种方式。一种是不定芽方式，就是在某些条件下，愈伤组织的细胞发生分化，形成不同的器官原基，再逐渐形成芽和根（图1-2-8）。另一种是胚状体方式，就是由愈伤组织诱导分化出的具有胚芽、 胚根、胚轴的类似于胚的结构。能够产生胚状体的愈伤组织常见于胡萝卜、芦笋、玉米和小麦等植物。
小贴士
（1）离体状态
（2）无菌操作
（3）种类齐全、比例适合的营养物质
（4）植物激素（主要是生长素和细胞分裂素）诱导和调节
（5）适宜的外界条件（温度、pH、光照等）
---细胞表现全能性的条件
4.归纳
5.探究-实践
菊花的组织培养
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽等
试管苗
完整植株
移栽
原理：
目的：
1）了解植物组织培养的基本原理
2）了解生长素和细胞分裂素的浓度、用量比例对菊花愈伤组织形成
和分化的影响
3）尝试进行植物组织培养
步骤：
1）制备外植体
2）接种到诱导愈伤组织培养基
3）接种到诱导生芽培养基
4）接种到诱导生根培养基
菊花的组织培养
（1）制备外植体
消毒：
切割：（无菌操作）
酒精
30S
无菌水
2-3次
次氯酸钠溶液
30min
材料：
幼嫩的菊花茎段
2-3次
无菌水洗
超净工作台或接种箱
消毒与无菌水冲洗
切割与接种
（2）接种到诱导愈伤组织培养基
脱分化 避光
形成愈伤组织
有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。
愈伤组织培养
培养温度：
18-220C
(3）接种到诱导生芽培养基
（4）接种到诱导生根培养基
接种室
试管苗
若先生根后面就不易生芽
移栽
培养室
脱分化
将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于18-22℃的培养箱中培养。在培养过程中，定期观察和记录愈伤组织的生长情况。
*该过程一般不需要光照；
*有光易形成维管组织，不易形成愈伤组织。
再分化
*注意顺序，先诱导生芽，再诱导生根；
*该过程每日需要给予适当时间和强度的光照。
培养15~20d后，将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上
长出芽后
将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗
幼 苗
愈伤组织
脱分化
CTK/IAA比例适合
再分化
CTK/IAA比例先增大在减小
植物组织培养过程示意图
完整植株
外植体
生长素与细胞分裂素的比值 作用效果
高 有利于根的分化,抑制芽的形成
低 有利于芽的分化,抑制根的形成
适中 促进愈伤组织形成
植物组织培养过程中的脱分化是指(　　)
A.植物体的分生组织通过细胞分裂产生新细胞的过程
B.未成熟的种子经过处理培育出幼苗的过程
C.植物的器官、组织或细胞,通过离体培养产生愈伤组织的过程
D.取植物的枝芽培育成一株新植物的过程
C
测一测
2003年1月5日，“神舟”四号准确陆。这次时6天18小时的空行，开展了多 项在轨研究，其中有一项被媒体描述成“太空婚礼”的生物实验。不过，“婚礼”中的 “新郎”和“新娘”是一对对体细胞，作为“新房”的是一个黑色的小合子——电融合仪。原来，这是科技工作者在空间微重力条件下进行的细胞融合(cell fusion)实验。
关于植物体细胞杂交技术的趣事
（二）植物体细胞杂交技术
欲培育地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物”。你有什么好妙招？
利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？
不能。因为不同种生物之间存在着生殖隔离
细胞A
细胞B
原生质体B
原生质体A
人工诱导融合，并筛选
融合原生质体
再生出细胞壁
杂合细胞AB
脱分化
愈伤组织
再分化
杂合植株
去壁
去壁
植物细胞融合
植物组织培养
植物体细胞杂交
植物体细胞杂交过程示意图
酶解法
拓展：
① 原生质体是指植物细胞去除细胞壁后剩余的部分，包括细胞膜、细胞质和细胞核。
② 原生质层是指成熟植物细胞的细胞膜、液泡膜和介于这两层膜之间的细胞质，包括细胞膜、细胞质、液泡膜。
③ 从概念上可以看出，原生质层中没有包含细胞液（液泡中的液体部分）和细胞核，因此原生质体应该比原生质层多这两部分成分。
区分原生质体与原生质层：
【注意】质壁分离的“质”指的是原生质层。
1.过程：
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
植物细胞的融合
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？
融合完成的
标志
植物细胞B
仔细看38页图，将其转化为文字图示
2.融合实例:
（二）植物体细胞杂交技术
1.概念：
将不同来源的植物细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。
4.步骤说明:
1）酶解法去壁：
细胞壁
纤维素酶、果胶酶
原生质体
2）理化法促融：
物理法：电融合法、离心法
化学法：聚乙二醇融合法、高Ca2+ —高PH融合法等
3）融合的原生质体再生出细胞壁为杂种细胞，可诱导形成愈伤组织
5.意义:
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。
3.原理：
细胞膜的流动性和细胞全能性
思考与探究 P38
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？
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，虽然马铃薯—番茄杂交植株的细胞中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
植物组织培养 植物体细胞杂交技术
所属范畴
原理
步骤
意义
联系
无性繁殖
细胞全能性
①脱分化
②再分化
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
克服不同种生物远缘
杂交不亲和的障碍
①去除细胞壁②融合形成杂种细胞③组织培养
膜流动性和细胞全能性
染色体变异、基因重组
右图为植物体细胞杂交过程示意图。据图回答：
1）步骤①是________________
________________
最常用的方法是_________。
2）步骤②一般常用的化学试剂是
______________
目的是_____________。
3）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④相
当于_____，步骤⑤相当于_____。
去掉细胞壁分离出有
酶解法
聚乙二醇（PEG）
诱导原生质体融合
脱分化
再分化
植物组织培养
活力的原生质体
1.回忆植物组织培养技术的基本原理和过程？
2.思考利用这项技术能做哪些工作？
再分化
脱分化
愈伤组织
外植体
试管苗
植株
作物新品种的培育
微型繁殖
作物脱毒
植物细胞工程的实际应用
单倍体育种
突变体的利用
细胞产物的工厂化生产
植物繁殖的新途径
二、植物细胞工程的应用
（一）植物繁殖的新途径
1.快速繁殖：
运用组织培养的途径，一个单株一年可以繁殖几万到几百万个植株，而且均来自单一的个体，可以保持优良品种的遗传特性。
例如一株葡萄一年繁殖到3万多株，一株兰花一年繁殖到400万株。
1960年，荷兰科学家通过对兰花茎尖进行培养，获得了快速繁殖的脱毒兰花，随后在国内外进行了“兰花试管苗产业化”。
培养
无籽西瓜
接种
优点：
①繁殖率高，可大批量生产
②保持亲本的优良性状（无性繁殖 ）
③不受自然生长季节的限制
④培养周期短
实际应用：
快速繁殖经济苗木、名贵花卉、珍稀濒危植物等自然繁殖速度缓慢，繁殖效率低下或优良性状不易保持的植物。
石斛
百年牡丹树
连翘
生姜是药食两用的经济作物，在生产上长期采用无性繁殖，容易感染多种病毒病，使生姜品质变差，叶子皱缩，生长缓慢，一般减产30%-50%。
病毒引起的植物病害有500多种。受害植物包括粮食作物、蔬菜、果树和花卉等。而且没有有效的防治办法，只能拔除，造成经济损失。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。
背景资料
2.作物脱毒
无性繁殖的作物，容易将病毒传染给后代。病毒积累，导致作物产量降低、品质变差。
植物分生区病毒极少，切取茎尖进行组织培养，可获得脱毒苗。
脱毒苗不等于抗毒苗，与微型繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。
脱毒草莓
普通草莓
(1)原因：
(2)方法：
脱毒产品
甘蔗
香蕉
马铃薯
菠萝
铃薯利用它的块茎进行无性繁殖，种植的世代多了以后往往会感染病毒而减产，为此农户都希望得到无病毒的幼苗进行种植。获得无病毒幼苗的最佳办法是（ 　）
A．选择优良品种进行杂交
B．进行远缘植物体细胞杂交
C．利有芽尖进行组织培养
D．人工诱导基因突变
C
牛刀小试
选择
亲本
有性
杂交
F1代
花粉离
体培养
单倍体
植 株
诱 变
染色体加倍
可 育
纯合子
选择所
需类型
（二）作物新品种的培育
1.单倍体育种
后代都是纯合子，能稳定遗传
明显缩短育种年限，加速育种进程
(1)方法:
花药的离体培养获得单倍体植株，染色体加倍,选择稳定遗传优良品种。
(3)优点:
(2)过程:
特殊的植物组织培养——花药离体培养
花药离体培养
配子
DDTT
DDtt
ddTT
ddtt
正常植株（纯合）
秋水仙素诱导
高杆抗病
DdTt
DT
Dt
dT
dt
单倍体植株
DT
Dt
dT
dt
需要的纯合矮抗品种
（1）植物组织培养过程中涉及的分裂方式为_________；
（2）该过程涉及的生殖方式是_________*；
（3）经秋水仙素加倍之后，获得的植株一般为_______，一定是吗？_______。
有丝分裂
有性生殖
纯合子
不一定
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
第1年
选择矮秆抗病即为新品种
返回
（4）应 用
水稻
小麦
烟草
柏树
1.植物的微型繁殖技术是指 （ ）
A．植物体细胞杂交技术
B．嫁接
C．营养繁殖
D．植物组织培养
2.下列四个选项中没有采取植物组织培养技术的是 （ ）
A．花药离体培养得到单倍体植株
B.秋水仙素处理幼苗获得多倍体植株
C．人工种子的培育
D．“番茄——马铃薯”杂种植株的培育过程
牛刀小试
D
B
2.突变体的利用
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。
外植体
新
品种
筛选
培育
愈伤组织
脱分化
多种
突变体　
诱导分化
诱变处理
白三叶草
抗病、抗盐、
含高蛋白、高产。
（3）原理：
基因突变和植物细胞的全能性。
（4）优点：
提高变异的频率，加速育种进程。大幅度地改良某些性状。
难以控制突变方向，有利性状比较少，需要大量处理实验材料。
（5）缺点：
（1）产生:
植物组织培养中，培养细胞不断分裂易突变
（2）利用:
筛选对人们有利的突变体,进而培育成新品种
2.突变体的利用
（三）细胞产物的工厂化生产
2.一般组织培养到愈伤组织即可，
因为此时细胞分裂能力旺盛，代谢快，有利于产物生成。
1.细胞产物种类：
蛋白质，脂肪，糖类，药物，香料，生物碱等
二、植物细胞工程的实际应用
（一）植物繁殖的新途径
（二）作物新品种的培育
（三）细胞产物的工厂化生产
1.单倍体育种
2.突变体的利用
药物，香料，蛋白质等
2.作物脱毒
1.快速繁殖
原理
基础概括
过程
植物体细胞杂交
细胞膜具有一定的流动性
概念
生殖方式
分裂方式
植物细胞融合
植物细胞的全能性
可遗传变异类型
实例
意义
植物组织培养
去除细胞壁
原生质体间的融合
再生出新的细胞壁
脱分化
再分化
小结：
一、概念检测
1. 下图是利用甲、乙两种植物的各自优势，通过植物细胞工程技术培育高产、耐盐的杂种植株的实验流程图。下列相关叙述错误的是( )
A.进行a处理时能用胰蛋白酶
B.b是诱导融合后得到的杂种细胞
C.c是培养后得到的具有耐盐性状的幼芽
D.进行d选择时要将植株种在高盐环境中
A
练习与应用
2. 科学家在制备原生质体时，有时使用蜗牛消化道提取液来降解植物细胞的细胞壁。据此分析，蜗牛消化道提取液中可能含有什么成分？
【答案】纤维素酶和果胶酶。
练习与应用
二、拓展应用
“番茄-马铃薯”杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上结番茄，地下长马铃薯，这是为什么？
【提示】 1978年，梅尔彻斯(G.Melchers)等人首次获得了马铃薯与番茄的体细胞杂种植株。他们将培育的二倍体马铃薯和番茄的叶片细胞原生质体进行融合，产生了杂种植株一一“番茄-马铃薯”，它同时具有马铃薯和番茄的形态特征。其中一些植株形成了“类似块茎的生殖根”，但是并没有产生可结实的花、果实以及真正意义上的块茎。到目前为止“番茄-马铃薯”一类的体细胞杂交植物还不能产生经济效益，但是其研究价值不可忽视。
“番茄-马铃薯”没有像人们预想的那样地上结番茄、地下长马铃薯，主要原因是：生物体内基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以“番茄-马铃薯”杂种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相互干扰，它们不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达。杂种植株自然就不能地上结番茄、地下长马铃薯了。近年来，有报道称利用嫁接技术培育出了地上结番茄、地下长马铃薯的植株。
练习与应用
原有前程可奔赴，亦有岁月可回首