生物人教版（2019）选择性必修3 2.1 植物细胞工程（共61张ppt）

(共61张PPT)
2.1 植物细胞工程
CONTENTS
目录
植物组织培养技术
01
植物体细胞杂交技术
02
一 植物细胞工程的基本技术
二 植物细胞工程的应用
2.原理：
1.概念：
指将 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，诱导其形成 的技术。
离体
完整植株
植物细胞的全能性
、
外植体
细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。
植物组织培养技术
一
——植物细胞工程的基本技术
1.具有全能性的原因：
2.体现全能性的标志：
植物细胞的全能性
细胞内含有本物种的全部遗传信息。
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
3.表现条件：
具有完整的细胞结构；
处于离体状态；
提供一定的营养、激素和其他适宜的外界条件
5. 全能性大小比较：
（1）分化程度越高，全能性越低
（2）受精卵 胚胎干细胞 生殖细胞 体细胞
植物细胞 动物细胞
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＞
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
原因：
基因在特定时间和空间条件下会选择性表达
3.过程：
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
脱分化
再分化
再分化
生殖方式：
分裂方式：
无性繁殖
有丝分裂
外植体
愈伤组织
试管苗
完整植株
脱分化
芽、根等
再分化
生长
发育
脱分化：
在一定的 和 等条件的 下， 的细胞
，转变成 的过程。
激素
营养
诱导
已经分化
失去其特有的结构和功能
未分化的细胞
①光照条件：
②过程中涉及的生命活动：
一般不需要光照
只有细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化
③结果：
形成愈伤组织
（细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、不定形的薄壁组织团块）
注意说明
1.外植体脱分化的难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而不同。一般来说，植物的花和幼嫩的组织脱分化相对较易，而植物的茎、叶等成熟的组织脱分化则较难。
2.该过程添加的外源激素主要是细胞分裂素和生长素（比例适中）， 因为二者能强烈地促进愈伤组织的形成。
再分化：
愈伤组织___________成芽、根等器官的过程。
重新分化
①实质：
②光照条件：
基因的选择性表达
需要给予适当强度的光照
诱导叶绿素的合成，使试管苗能够进行光合作用
原因：
③过程中涉及的生命活动：
既有细胞增殖（有丝分裂），又有细胞分化。
注意说明
影响再分化的因素:
a.外植体的遗传特征和取材的位置会影响愈伤组织的再分化能力。
b.培养基的成分和物理性质对器官的形成有一定的影
响，但起决定作用的是植物激素，特别是生长素和细
胞分裂素的比例。
生长素/细胞分裂素 结果
比值高(＞1)
比值低(＜1)
比值适中(=1)
促进根的分化
促进芽的分化
促进愈伤组织的形成
简记为：“高”根，“低”芽，“中”愈伤
生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。它们的浓度、比例都会影响植物细胞的发育方向。
脱分化 再分化
过程
结果
需要的条件
外植体→愈伤组织
愈伤组织→幼苗
形成愈伤组织
形成根、芽
a.离体
b.适宜的营养
c.生长素与细胞分裂素的比例适中
d.一般不需要光照
a.离体
b.适宜的营养
c.生长素与细胞分裂素的比例高或低诱导生根或生芽
d.光照
决定植物脱分化、再分化的关键因素
1.(2021·合肥检测)植物组织培养依据的原理、培养基本过程的顺序及诱导的植物激素分别包括
①植物细胞的全能性　②离体的植物器官、组织或细胞
③根、芽　④生长素和细胞分裂素　⑤生长素和乙烯
⑥愈伤组织　⑦再分化　⑧脱分化　⑨完整植株
A.①、②⑦⑥⑧③⑨、④
B.①、②⑧⑥⑦③⑨、④
C.①、⑥②⑨⑧③⑦、⑤
D.①、②⑨⑧⑥⑦③、⑤
√
2.下列有关植物组织培养过程中形成的愈伤组织的说法，错误的是
A.愈伤组织是离体植物细胞经过脱分化和再分化形成的
B.培养基中生长素和细胞分裂素的比值不同，愈伤组织分化的结果不同
C.愈伤组织为一团不定形的薄壁细胞
D.愈伤组织在一定条件下培养可以形成完整的植株
解析　愈伤组织是离体植物细胞经过脱分化形成的，A错误。
√
3.如图为植物组织培养过程，下列有关说法正确的是
A.实验中②试管中细胞全能性最高
B.④试管中培育出的个体都是纯合子
C.①→②过程需要光照
D.①→④过程培养基保持不变
√
解析　④试管中培育出的个体不一定是纯合子，如果外植体取自纯合子，培育出的个体一定是纯合子，如果外植体取自杂合子，培育出的个体一定是杂合子，B错误；
①→②过程为脱分化的过程，一般不需要光照，C错误；
①→②过程为脱分化的过程，②→③过程为再分化过程，脱分化和再分化过程中所用的培养基成分不同，D错误。
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探究·实践 菊花的组织培养
材料用具
植物组织培养常用的培养基：
MS培养基 ( P116)
50mL锥形瓶（或植物组织培养瓶）
植物组织培养瓶
1）培养基名称： ； 2）物理性质： ；
3）碳源： 。
拓展：植物组织培养常用培养基的配方
方法步骤
①外植体消毒
用酒精擦拭双手和超净工作台台面。
②消毒：
30s
2-3次
30min
①材料：
幼嫩的菊花茎段
2-3次
酒精
无菌水
次氯酸钠溶液
无菌水
②外植体切段
用解剖刀将外植体切成0.5～1cm长的小段
将消过毒的外植体置于无菌培养皿中
用无菌滤纸吸去表面的水分
③接种外植体
注意：接种时注意外植体的方向，不要倒插！
用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记
在酒精灯火焰旁，将外植体的1/3～1/2插入诱导愈伤组织的培养基中
（将形态学上端朝上，形态学下端朝下）
④诱导愈伤组织
培养条件：
有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。
脱分化
定期观察和记录愈伤组织的生长情况
将接种了外植体的锥形瓶置于18-22℃的培养箱培中养
激素比例1：1
避光培养
提供有机碳源（蔗糖）
⑤诱导生芽、生根
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
注意顺序：先诱导生芽，再诱导生根；
长出芽后，再将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。
该过程每日需要给予适当时间和强度的光照！
⑥移栽
移栽前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日
用流水清洗掉根部的培养基
将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中，待其长壮后再移栽入土
注意：
实验中使用的培养基和所有器械都要灭菌。接种操作必须在酒精灯火焰旁进行，并且每次使用后的器械都要灭菌。
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物质，导致培养物迅速死亡。
拓展：植物组织培养的两种途径
器官发生途径
胚状体途径
胚状体：离体培养条件下，没有经过受精过程，但经过胚胎发育过程形成的胚状类似物，因而统称为体细胞胚或胚状体。
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
生芽、生根
或胚状体
试管苗
（移栽到大田）
下图表示菊花茎段细胞通过无菌操作接种到试管培养基上后，在一定的条件下，形成试管苗的培育过程，请据图回答下列问题：
(1)要促进细胞分裂生长，培养基中应有营养物质和激素。营养物质包括_______和小分子有机物，激素包括细胞分裂素和_______两类植物激素。
无机物
生长素
(2)此过程依据的原理是_________________。A和B阶段主要进行的分裂方式是_________，B阶段除了细胞分裂外，还进行细胞_____等。
植物细胞的全能性
有丝分裂
分化
(3)此过程要无菌操作，主要是指对_______进行灭菌处理。B阶段需要光照，原因是_______________________________________________。
培养基
芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件
(4)试管苗的根细胞没有叶绿素，而叶的叶肉细胞具有叶绿素，这是基因___________的结果。
选择性表达
解析　植物组织培养是用离体的植物组织、器官或细胞接种到经灭菌的培养基中，培养基含有供组织细胞生长发育所需要的无机物和小分子有机物，还有调节细胞脱分化和再分化的细胞分裂素和生长素。由外植体发育成试管苗，脱分化阶段细胞进行有丝分裂，再分化阶段愈伤组织细胞经有丝分裂和细胞分化形成试管苗，此阶段需要光照，原因是叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件。
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欲培育出地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物”，你有什么妙招？
利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？
不能。因为不同物种之间存在着生殖隔离。
有没有方法可以打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，获得“番茄
-马铃薯”杂种植株呢？
阅读教材P36-38，思考以下问题：
1.要想让两个来自不同植物的体细胞融合在一起，遇到的第一个障碍是什么？
2.怎样通过比较温和的方法去掉细胞壁？
3.怎样诱导两个原生质体的融合？与细胞膜的什么特性有关？
4.如果两个来源不同的原生质体发生融合形成了杂种细胞，下一步如何将杂种细胞培育成杂种植株？
5.这项技术的出现有什么意义？
思考·讨论：
1.概念
将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。
植物体细胞杂交技术
二
二
①
①
②
③
④
⑤
⑥
植物体细胞杂交技术
杂种细胞
去除细胞壁
去除细胞壁
诱导融合
脱分化
再分化
移栽
植物组织培养
原生质体融合
（植物细胞的全能性）
（细胞膜的流动性）
2.过程
植物体细胞杂交技术成功的标志：
获得杂种植株
3.原理
细胞膜的流动性和植物细胞的全能性
再生出细胞壁
（1）去除细胞壁
①去壁的原因：___________________________________
②方法：____________
③相关酶：______________________ 为什么用上述酶？
④结果：__________________
酶解法
细胞壁阻碍着细胞间的杂交
纤维素酶和果胶酶
酶的专一性
获得原生质体
原生质体：是指去除细胞壁后的植物细胞。
原生质层：是指植物细胞的细胞膜、液泡膜及两层膜之间的细胞质。
（2）原生质体间的融合
物理方法：电融合法、离心法
化学方法：聚乙二醇（PEG）融合法、 高Ca2+-高pH融合法
①原理：_____________________
②人工诱导原生质体融合的方法：
细胞膜的流动性
有3种类型：AA、BB、AB；我们需要的是AB；因此要对融合后的原生质体进行筛选。
A种原生质体与B种原生质体融合后，有哪几种类型(只考虑两两融合)？而我们需要的是哪种类型？所以原生质体融合后，我们要进行怎样的处理？
思考：
②新细胞壁的形成与哪些细胞器有关？
高尔基体、线粒体
①融合完成的标志：______________________________
（3）再生出细胞壁
融合的原生质体再生出细胞壁
无性繁殖
有丝分裂
染色体数目变异
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种
4.生殖方式
5.分裂方式
6.优点
7.变异类型
若A细胞具有2x条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb。B细胞含有2y条染色体，2个染色体组，基因型为ccDd，则通过植物体细胞杂交技术获得的新植株的染色体条数：　　　　；染色体组数：　　；
属于_________倍体植株;基因型：____________；属于可遗传变异类型中的________________。
2x＋2y
4个
AabbccDd
染色体数目变异
思考：
(异源)四
1.下图为“番茄—马铃薯”的培育过程示意图，下列有关叙述正确的是
A.获得a、b细胞需要用胰蛋白酶和果胶酶处理
B.诱导a、b细胞融合的化学试剂一般为秋水仙素
C.a、b细胞融合为c细胞的原理是细胞膜具有流动性
D.d、e、f过程表示植物的组织培养过程，e、f分别为脱分化和再分化
√
解析　植物体细胞在杂交之前，必须先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，获得原生质体；诱导a、b细胞融合的化学试剂一般为聚乙二醇；d、e分别为脱分化和再分化过程。
2.(2021·葫芦岛市第八高级中学高二期中)实验人员制备了矮牵牛(2n＝14)红色花瓣(液泡呈红色)与枸杞(4n＝48)叶肉细胞的原生质体，并诱导其融合，经筛选、培养获得杂种植株。下列说法错误的是
A.生成杂种细胞标志着植物体细胞杂交成功
B.可以突破自然生殖隔离的限制而得到种间杂种植株
C.若原生质体均为两两融合，则融合后的细胞中染色体数目可能为62条或28条或96条
D.参与杂种细胞的细胞壁形成的细胞器主要是线粒体和高尔基体
√
解析　生成杂种细胞还不能标志植物体细胞杂交成功，培育成杂种植株才标志着植物体细胞杂交成功，A错误；
植物体细胞杂交打破了生殖隔离，克服了远缘杂交不亲和的障碍，B正确；
若原生质体均为两两融合，则融合后的细胞中染色体数目可能为62条(14＋48)或28条(14＋14)或96条(48＋48)，C正确；
植物细胞细胞壁的形成主要与高尔基体有关，同时需要线粒体提供能量，D正确。
三 植物细胞工程的应用
（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. 快速繁殖
20世纪60年代，荷兰科学家成功地利用植物组织培养技术来培育兰花。目前，荷兰的兰花生产已发展成举世闻名的兰花产业。
用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，称为快速繁殖技术，也叫微型繁殖技术。
（一）植物繁殖的新途径
我国组织培养技术也已经广泛应用于兰花种苗的规模化繁殖，使得名贵兰花的价格大幅下降，普通百姓也能购买和观赏。
一些优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物和濒危植物等。
甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的产生已形成一定规模。
优点：
①高效、快速地实现种苗的大量繁殖；
②保持优良品种的遗传特性；
③不受自然生长季节的限制，培养周期短；
④选材少，繁殖率高，便于自动化管理。
实例：
铁皮石斛
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。
你有什么启发？
生活情境
2. 作物脱毒
（1）原因
选材原因：_________________________________
无性繁殖的作物，感染的病毒很容易传给后代。病毒在作物体内逐年积累，导致作物产量降低、品质变差。
（2）选用材料：___________________________________________
该部位的病毒极少，甚至无病毒
植物顶端分生区附件（如茎尖、芽尖、根尖）
（3）脱毒过程：
（4）实例：
马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等。
与微型繁殖相比，二者无本质区别，只是取材部位不同。
茎尖
脱分化
愈伤组织
再分化
芽、根
脱毒苗
脱毒草莓
普通草莓
脱毒马铃薯田与被病毒感染的未脱毒马铃薯叶片
1. 单倍体育种
（1）过程
（二）作物新品种的培育
秋水仙素
单倍体幼苗
优良品种
愈伤组织
纯合二倍体植株
花药
染色体
数目加倍
脱分化
再分化
秋水仙素处理
花药离体培养
（植物细胞的全能性）
（染色体数目变异）
选择
（2）原理：
植物细胞的全能性、染色体数目变异
（3）优点：
① 明显缩短育种年限；
②后代都是纯合子，能稳定遗传。
我国科学家在1974年成功培育出世界上第一个单倍体作物新品种——单育1号烟草。
（4）实例
后来，把单倍体育种与常规育种结合起来，育成了水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物的新品种。
2.突变体的利用
（1）产生原因：
在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此容易受到培养条件和诱变因素（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。
（3）过程：
（2）利用：
筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。
外植体
脱分化
愈伤组织
突变体
新品种
诱变处理
再分化
筛选培育
（4）原理：
基因突变和植物细胞的全能性
（7）实例：
（5）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。
（6）缺点：
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。
已筛选出抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体，如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
植物的代谢产物
1.初生代谢物：
初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动。初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质、核酸等。
2.次生代谢物：
植物代谢会产生一些一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物——次生代谢物。
（三）细胞产物的工厂化生产
小分子有机化合物(如酚类、萜类和含氮化合物等)
本质：
作用：
在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。
缺点：
①含量很低，从植物组织提取会大量破坏植物资源；
②有些产物不能或难以通过化学合成途径得到。
利用植物细胞培养来获得目标产物
细胞产物的工厂化生产
指在离体条件下对单个细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。
1.过程：
植物细胞培养：
2.优点：
不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，
因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。
原理：细胞增殖
（三）细胞产物的工厂化生产
大量细胞
细胞培养
外植体
脱分化
提取
细胞产物
愈伤组织
紫草宁
具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性
紫杉醇
具有高抗癌活性
已用于乳腺癌等癌症的治疗
红豆杉(濒危植物）
（世界上首例药用植物细胞工程产品）
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷（ɡān）等。
3.实例
人参皂苷