高中生物人教版（2019）选择性必修3 2.1.1 植物细胞工程的基本技术（共39张ppt)

(共39张PPT)
第二章 细胞工程
1.细胞工程的概念
应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学的原理和方法，通过细胞或细胞器的水平上的操作，有目的地获得特定的细胞或组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。
（1）原理和方法：
（2）操作水平：
（3）目的：
（4）分类：
一、细胞工程
细胞生物学和分子生物学
细胞或细胞器
按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品
植物细胞工程和动物细胞工程
哈伯兰特提出了细胞全能性的理论，但相关的实验尝试没有成功。
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。
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。
古哈等在培养毛曼陀罗的花药时，首次得到了由花药中的花粉粒发育而来的胚。
卡尔森诱导烟草种间原生质体融合，获得了第一株体细胞种间杂种植株。
土壤农杆菌的Ti质粒被发现。之后，该质粒应用于植物分子生物学领域，促进了植物细胞工程与分子生物学技术的紧密结合。
1902年
1958年
1960年
1964年
1971年
1974年
植物细胞工程的发展历程
第1.1节 植物细胞工程的基本技术
什么是植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术？
怎样进行菊花的组织培养？
第二章 细胞工程
从社会中来
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？
利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。
1.植物组织培养：
指离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其分化为完整植株的技术。
2.理论基础：
细胞的全能性
（1）什么是细胞全能性？原理是什么？
（2）全能性的标志是什么？
（3）为什么生物体内细胞并没有表现出全能性，而是分化成为不同的组织器官？
一、植物组织培养
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，卵细胞发育成雄蜂
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
细胞的全能性
6、不同细胞全能性大小比较
④受精卵 生殖细胞 胚胎干细胞 体细胞
⑤植物细胞 动物细胞
③幼嫩的组织细胞 成熟的组织细胞
②分裂能力强的细胞 分裂能力弱的细胞
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细胞的全能性
①分化程度低的 分化程度高的
思考以下问题：
细胞的全能性
1.是不是所有的活细胞都具有全能性？
2.种子发育成植株体现了全能性了吗？
3.细胞具有的全能性一定能表现出来吗？
不是；
例如哺乳动物成熟的红细胞、植物成熟的筛管细胞
没有；
植物种子的胚已完成了早期发育，相当于新植物体的幼体，没有体现出细胞具有发育成完整植株的潜能；
不一定
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
细胞的全能性实例
二、植物组织培养
自主阅读教材35页—36页，小组思考并讨论以下问题：
1、概述植物组织培养的基本过程？
2、决定植物脱分化、再分化的关键因素是什么？
3、在组织培养实验中，为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作？
3.植物组织培养的过程：
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
试管苗
驯化移栽
完整植株
根、芽等
3. 一般过程：
二、植物组织培养
(1)外植体：
(2)脱分化：
离体的植物器官、组织、细胞或原生质体。
植物的茎尖、幼嫩的叶片、花药是常用的外植体。
①概念：在一定的______和______等条件的______下，__________的细胞_____________________，
转变成_______________的过程；
②影响因素：
③结果：___________
*愈伤组织的特点：_________________________________________________________________
④光照条件：_______________
⑤过程中涉及的生命活动__________________________________________
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
形成愈伤组织
细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、呈无定形状态的薄壁细胞团
一般不需要光照
只有细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化
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。
思考：
若培养物取自植物的幼茎、叶片等含有叶绿体的部位，愈伤组织中是否会含有叶绿体？为什么？
愈伤组织中不含有叶绿体；
培养物经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞，因此，愈伤组织中不含有叶绿体
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
试管苗
驯化移栽
完整植株
根、芽等
3. 一般过程：
二、植物组织培养
(3)再分化：
①概念：________能重新_____成____________的过程；
②实质：______________
③结果：__________________________________________
④光照条件：_________________________
为什么？_____________________________________
⑤过程中涉及的生命活动：__________________________________________
愈伤组织
分化
芽、根等器官
基因的选择性表达
愈伤组织再分化成胚状体、长出芽和根，进而发育成完整的植株
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
既有细胞增殖（有丝分裂），又有细胞分化
胚状体：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。
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
试管苗
驯化移栽
完整植株
根、芽等
3. 一般过程：
(3)再分化：
二、植物组织培养
⑥影响植物组织再分化的因素
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配比。
脱分化 再分化
过程
结果
需要条件
外植体→愈伤组织
愈伤组织→幼苗
形成根、芽
形成愈伤组织
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.一般不需光
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
拓展：植物组织培养的两种途径
胚状体途径
器官发生途径
2、决定植物脱分化、再分化的关键因素是什么？
生长素/细胞分裂素 结果
比值高(>1)
比值低(<1)
比值适中(=1)
有利于根的分化，抑制芽的形成
有利于芽的分化，抑制根的形成
促进愈伤组织的形成
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽等
3、在组织培养实验中，为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作？
避免杂菌在培养基上迅速生长消耗营养，同时防止有些杂菌危害培养物的生长
二、植物组织培养
简记：高根低芽中愈伤
植物组织培养的关键
③植物激素中______和__________是启动_________、______和______的关键激素，它们的_____、_____等都会影响植物细胞的发育方向；
②在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过______和______，形成________，长出_______，进而发育成__________；
（1）原理
①植物细胞一般具有______；
全能性
脱分化
再分化
胚状体
芽和根
完整的植株
生长素
细胞分裂素
细胞分裂
脱分化
再分化
浓度
比例
二、植物组织培养
菊花的组织培养
（2）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
二、植物组织培养
菊花的组织培养
（3）材料用具
①外植体：_______________
幼嫩的菊花茎段
经常选择根尖（分生区）、茎的韧皮部（形成层）等分裂能力强、分化程度低的区域作为材料，容易诱导形成愈伤组织；
②体积分数为70%的酒精：
③质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液：
对手、超净工作台、外植体进行消毒
④无菌水：
对外植体进行消毒
⑤MS培养基
清洗外植体
*包括无机营养成分（水和无机盐）、有机营养成分（蔗糖、氨基酸、维生素等）、
特定浓度和比例的植物激素（主要是生长素和细胞分裂素）；
湿热灭菌法
*蔗糖的作用：
*培养基灭菌方法为：___________
提供能量，调节渗透压
外植体消毒
酒精消毒 （30s）
无菌水清洗 (2-3次)
次氯酸钠消毒（30min）
无菌水清洗 (2-3次)
无菌培养皿
灭菌的解剖刀
超净工作台
酒精灯火焰旁
外植体切块
接种
二、植物组织培养
菊花的组织培养
二、植物组织培养
诱导愈伤组织形成
诱导先生芽、再生根
试管苗移栽
外植体接种：将外植体的1/3~1/2插入诱导愈伤组织培养基
一定不能倒置
避光培养
1.照光培养
2.生芽、生根培养基不同
若先生根后面就不易生芽
有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。
芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照
与生长素的极性运输有关；生长素含量多的部分容易生出不定根，含量少的部分生出不定芽
IAA/CTK比例先减小再增大
固体基质型，含水量高、
蓄水性强、透性好，适合栽培
珍珠岩 ,珍珠岩是一种火山喷发的酸性熔岩，经急剧冷却而成的玻璃质岩石，有弧形或圆形裂隙，如珍珠的结构，所以被命名为珍珠岩 。
蛭石是一种天然、无毒的矿物质，在高温作用下会膨胀的矿物。它是一种比较少见的矿物，属于硅酸盐。
二、植物组织培养
外植体
愈伤组织
试管苗
完整植株
脱分化
芽、根等
再分化
驯化
移栽
黑暗
光照
离体
无菌
培养基
适宜的外界条件(温度、光照、气体等)
水
琼脂
有机物
无机物
植物激素
蔗糖：提供能量、调节渗透压。
植物激素：主要是生长素和细胞分裂素。
二、植物组织培养
生长素/细胞分裂素比值适中→比值低→比值高
思考讨论
① 接种3~4d后，发现有些外植体被污染，试分析它们被污染的可能原因。
② 从刚接种的外植体到长出愈伤组织需经历多少天？
③ 培育的试管苗能直接移栽到露地吗？应如何操作？
培养基、接种工具灭菌不彻底；
外植体消毒不彻底；
操作过程不符合无菌操作要求等。
2周左右
生根苗移栽技术的关键是既要充分清洗根系表面的培养基，又不能伤及根系。
一般使用无土栽培方法。培养基质要提前消毒，可以向培养基质喷洒质量分数为5%的高锰酸钾，并用塑料薄膜覆盖12h，掀开塑料薄膜24h后才能移栽。新移栽的组培苗要在温室过渡几天，待其长壮后再移植到大田或盆中。
④ 若想探究生长素与细胞分裂素的使用比例对植物组织培养的影响，则应
如何设计对照实验？
空白对照：不加任何激素
实验组1：生长素用量与细胞分裂素用量的比值为1；
实验组2：生长素用量与细胞分裂素用量的比值大于1；
实验组3：生长素用量与细胞分裂素用量的比值小于1。
能否从以上内容中概括植物组织培养中细胞表现出全能性所需要的条件？
思考讨论
植物组织培养中细胞表现出全能性的条件
①对操作环境、双手、外植体进行消毒；
②对培养基和器械进行灭菌；
③接种操作必须在酒精灯火焰旁进行。
①温度（例如菊花植物组织培养应为18-22℃）；
②光照（例如脱分化需避光，再分化需照光）。
*植物激素的种类和含量不同，对愈伤组织的形成和分化的影响不同。
*配制合适的培养基，包括有机营养成分、无机营养成分、适宜浓度和比例的激素。
*若细胞不离体，细胞中的基因会选择性地表达，从而形成生物体的不同组织和器官，不能表现出全能性。
（1）离体（最关键）
（2）严格的无菌条件
（5）适宜浓度和比例的激素
（3）适宜的培养条件
（4）种类齐全、比例适合的营养物质
（3）经秋水仙素加倍之后，获得的植株
一般为_______，一定是吗？_______。
（2）该过程涉及的生殖方式是_________*；
二、植物组织培养
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_________；
有丝分裂
有性生殖
纯合子
不一定
三、植物体细胞杂交技术
如果想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
于是，这些科学家试图用这两种植物的体细胞进行杂交，来实现这一美妙的设想。
1．你认为两个来自不同植物的体细胞完成融合，遇到
的第一个障碍是什么？
2．有没有一种温和的去壁方法呢？
思考
去细胞壁
酶解法
纤维素酶和果胶酶
原生质体：是指去除细胞壁后的植物细胞
原生质层：是指植物细胞的液泡膜、细胞膜及其之间的细胞质构成的
A细胞
B细胞
正在融合的原生质体
杂种细胞
再生出细胞壁
人工诱融
物理法：
化学法：
电融合法、离心法
聚乙二醇（PEG）融合法、
高Ca2+_高pH融合法等
植物细胞融合
A原生质体
B原生质体
成功融合的标志
三、植物体细胞杂交技术
1、过程
融合后，培养基中有几种类型的细胞？
A、B、AA、BB、AB（只考虑两两融合）
1）酶解法去壁：
细胞壁
纤维素酶、果胶酶
原生质体
筛选
4
从杂种植株的染色体组成上看属于何种变异？
染色体数目变异
50
杂种细胞染色体数为？
杂种细胞染色体组数为？
A为2a=20 B为2b=30
原理：细胞膜的流动性
A细胞
B细胞
正在融合的原生质体
杂种细胞
再生出细胞壁
人工诱融
脱分化
再分化
移栽
植物细胞融合
植物组织培养
杂种新植株
愈伤组织
A原生质体
B原生质体
移栽后的植株
成功融合的标志
三、植物体细胞杂交技术
1、过程
杂交完成的标志
筛选
1）酶解法去壁：
细胞壁
纤维素酶、果胶酶
原生质体
在此过程中活跃的细胞器是 。
线粒体和高尔基体
原理：植物细胞具有全能性
三、植物体细胞杂交技术
2、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。
3、实例
+
白菜
甘蓝
=
白菜-甘蓝
4、意义
打破生殖隔离，克服远缘杂交不亲和的障碍，培育植物新品种。
5.研究现状
仍有许多理论与技术问题没有解决，还不能让杂种植株表现出人们所需要的所有性状
+
=
白菜
甘蓝
白菜-甘蓝
1.白菜（2N=18）与甘蓝（2N=18）体细胞杂交所得植株
白菜-甘蓝的细胞染色体数为 ，属于 倍体。
36
（异源）四
2.白菜（2N=18）与甘蓝（2N=18）进行杂交（相互授粉），
所得植株白菜-甘蓝的细胞染色体数为 ，属于 倍体。
（异源）二
18
基因重组
染色体数目变异
三、植物体细胞杂交技术
植物体细胞杂交育种
四倍体
杂交育种诱导多倍体
四倍体
二倍体
如何处理植株使其可育？
看减数分裂联会、配对能否正常进行！
①若亲本植株可育，
则杂种植株可育。
②杂种植株是不同于
亲本的新物种。
三、植物体细胞杂交技术
三、植物体细胞杂交技术
6、变异类型
生殖类型
变异类型
染色体数
染色体组数
基因组成
无性繁殖，育种过程中不遵循孟德尔定律
染色体数目变异
两亲本染色体数之和。2n+2m
两亲本染色体组数之和。2+2
两亲本基因型之和。AaBbCcDd
四、课堂小结
脱分化
再分化
原理
过程
花药离体培养
细胞全能性
操作步骤
外植体
根、芽、胚状体
愈伤组织
外植体消毒
接种
切块
形成愈伤组织
诱导生芽生根
植物组织培养
植物细胞工程
植物体细胞杂交
变异类型
原理
育种类型
概念
植物细胞融合
原生质体制备
过程
植物组织培养
原生质体融合
优缺点
动物细胞工程（含胚胎工程）
动物细胞工程的发展历程
1. 1890年，希普（W.Heape,1855-1929) 将安哥拉兔的胚胎移入比利时兔的输卵管内，
得到了两只安哥拉兔，这是世界上胚胎移植成功的首例。
2. 1907年，哈里森（R.G.Harrison,1870-1959)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。
3. 1951年，张明觉（1908-1991)等发现了哺乳动物精子的获能现象。
4. 1958年，格登（J.Gurdon,1933-) 用非洲爪蟾进行体细胞核移植实验，成功培育
出性成熟个体。同一时期，我国科学家童第周（1902-1979)等开展了鱼类细胞核
移植工作。
5. 1959年，试管家兔诞生。之后，多种试管动物相继出生。1975年，米尔斯坦（C.Milstein,1927-2002)和科勒（G.Kohler,1946-1995)等创立了单克隆抗体技术。
6. 1975年，米尔斯坦（C.Milstein,1927-2002)和科勒（G.Kohler,1946-1995)等创立了
单克隆抗体技术。
动物细胞工程的发展历程
7. 1978年，小鼠的桑甚胚被成功分割。次年，科学家分割绵羊胚胎获得了同卵美羊。
8. 1996年，世界上第一只体细胞克隆羊多莉在英国诞生。随后多种克隆动物相继问世。
9. 1981年，埃文斯（M.J.Evans,1941-)等成功分离和培养了小鼠的胚胎干细胞。
10. 2006年，山中伸弥（S.Yamanaka,1962-)等获得了诱导多能干细胞。我国科学家用
这种细胞培育出了小鼠。
11. 2014年，世界上第一个用单细胞基因组测序进行遗传病筛查的试管
婴儿在我国诞生。
12. 2017年，我国科学家首次培育了体细胞克隆猴。