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30张ppt）

(共30张PPT)
第2章 细胞工程
细胞工程
细胞工程是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性生物工程。
细胞工程
应用的原理及方法
操作水平
研究的目的
细胞生物学、分子生物学和发育生物学
细胞器、细胞或组织水平
获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品
概
念
分类
植物细胞工程
动物细胞工程
2.1植物细胞工程
一、植物细胞工程的基本技术
从社会中来
“其芽葺葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨夫花开,凝晴瀼露,万态千妍,薰风自来,四坐芬郁,岂非入兰室乎!岂非有国香乎!”这是我国历史上第一部兰谱——《金漳兰谱》（宋·赵时庚）中对兰花的一段描述。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；传统分株繁殖的方法又存在繁殖周期长，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？
兰花是观赏植物中最常见的一类依靠植物组织培养繁育种苗的植物，其组培苗的数量约占观赏植物组培苗总量的40%
利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。
哺乳动物成熟的红细胞因失去了核遗传物质，所以不具备全能性
一、细胞的全能性
1.概念：
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。
2.物质基础：
一般来说，生物体的每个细胞中都含有发育成为完整个体所需的全部遗传信息。
3.生物体生长发育过程中并不是所有细胞都表现出全能性
（1）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
（2）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
4. 全能性大小的比较：
①受精卵＞生殖细胞＞体细胞
②植物细胞＞动物细胞
③分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞
通常情况下，随着细胞分化程度的不断提高，细胞的分裂能力和细胞的全能性逐渐降低。
二、植物组织培养技术
1.概念：
指将离体的植物器官、组织或细胞（称为外植体）等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。
2.原理：
植物细胞的全能性。
3.过程：
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽
幼苗
完整植株
移栽成活
细胞增殖方式只涉及有丝分裂
离体、无菌条件、种类和比例适宜的营养物质、植物激素（主要是生长素和细胞分裂素）的诱导和调节、适宜的外界条件（温度、pH、光照等）。
①脱分化：
在___________________条件的诱导下，已经分化的细胞_______________________，转变为_____________，进而形成_________的过程。
一定的激素和营养等
失去其特有的结构和功能
未分化的细胞
愈伤组织
③愈伤组织：
排列疏松、无规则，高度液泡化、不定形的薄壁组织团块。
②再分化：
愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。
④适宜的培养条件：
脱分化过程一般不需要光照、再分化过程需要光照。
4.相关定义和培养条件
二、植物组织培养技术
比较内容 脱分化 再分化
过程 外植体→愈伤组织 愈伤组织→幼苗
形成体特点 排列疏松、不定形的薄壁组织团块 有根、茎
需要条件 ①离体； ②适宜的营养； ③生长素/细胞分裂素的比例适中； ④不需光照 ①离体；
②适宜的营养；
③生长素/细胞分裂素的比例高或低诱导生根或生芽；
④光照
脱分化与再分化的比较
课堂延展
生长素/细胞分裂素 效果
比值高时
比值低时
比值适中
植物激素在组织培养中的作用
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
课堂延展
菊花的组织培养
1.实验原理：
①植物细胞一般具有______；
全能性
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__________；
脱分化
再分化
胚状体
芽和根
完整的植株
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；
生长素
细胞分裂素
细胞分裂
脱分化
再分化
浓度
比例
2.实验目的：
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、用量的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。
3.材料用具
①外植体：
幼嫩的菊花茎段
(容易诱导形成愈伤组织)
②体积分数为70%的酒精：
对手、超净工作台、外植体进行消毒
③质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液:
对外植体进行消毒
④无菌水:
清洗外植体
⑤培养基（参见本书附录1）
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）、特定浓度和比例的激素（主要是生长素和细胞分裂素）；
蔗糖的作用：
提供能量，调节渗透压
灭菌方法为：
湿热灭菌法
菊花的组织培养
4.方法步骤
（1）消毒
①双手和超净工作台台面:
用酒精擦拭
②外植体:
流水冲洗→酒精消毒30s→立即用无菌水清洗2～3次→次氯酸钠溶液处理30min→立即用无菌水清洗2～3次。
（2）外植体切段
将消过毒的外植体置于无菌的培养皿中→用无菌滤纸吸去表面的水分→用解剖刀将外植体切成0.5～1cm长的小段。
菊花的组织培养
注意：
注意：
（3）接种外植体
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。用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记。
接种时注意外植体的方向，不要倒插！
（4）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。
菊花的组织培养
注意：
（5）再分化
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。
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！
（6）移栽培养
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后，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。每天观察并记录幼苗的生长情况，适时浇水、施肥，直至开花。
菊花的组织培养
5.结果分析与评价
（1）接种3～4d后，检查外植体的生长情况，统计有多少外植体被污染，有多少能正常生长，试分析它们被污染的原因。
提示：用于植物组织培养的培养基同样适合某些微生物的生长，培养基一旦受到微生物的污染，就会导致实验前功尽弃，因此要进行严格的无菌操作。导致外植体被污染的原因可能有：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）你培养出愈伤组织了吗？如果培养出来了，从刚接种的外植体到长出愈伤组织经历了多少天？这些愈伤组织进一步分化出芽和根了吗？
观察实验结果，看看是否培养出了愈伤组织，记录多长时间长出了愈伤组织。
从刚接种的外植体到长出愈伤组织一般需要2周左右的时间。
统计更换培养基后愈伤组织进一步分化成芽和根的比例和时间。
菊花的组织培养
（3）观察外植体的分化情况，填好结果记录表，并及时分析结果。
做好统计和对照，填好结果记录表，培养严谨的科学态度。从实验的第一步开始就要做好实验记录，可以分组配制不同的培养基，如诱导愈伤组织的培养基、诱导生芽的培养基等，还可以进行不同配方的比较。
（4）你培育的幼苗移栽到露地后，能够正常生长吗？
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。一般使用无土栽培的办法。培养基质要提前消毒，可以向培养基质喷酒质量分数为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。可以在课后统计移栽的成活率，看看移栽是否合格。
5.结果分析与评价
菊花的组织培养
6.进一步探究
（2）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？
①空白对照：不加任何激素；
②实验组1：生长素与细胞分裂素用量的比值为1；
③实验组2：生长素与细胞分裂素用量的比值大于1；
④实验组3：生长素与细胞分裂素用量的比值小于1。
其他条件相同且适宜
（1）一般来说，容易进行无性繁殖的植物也容易进行组织培养，如芦荟、秋海棠和月季等，你可以从中挑选一种你喜欢的植物，尝试进行组织培养。
菊花的组织培养
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；
植物组织培养中细胞表现出全能性的条件
（2）离体（最关键）:
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；
（4）适宜的培养条件:
（5）适宜浓度和比例的激素:
（6）适宜的营养条件:
温度,光照
包括有机营养成分、无机营养成分
主要是生长素和细胞分裂素
（3）严格的无菌条件:
（1）细胞的结构完整、活性正常
课堂小结
(1)在植物组织培养过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？
提示：避免杂菌在上面迅速生长消耗营养，且有些杂菌会危害培养物的生长。
(2)在组织培养过程中，诱导愈伤组织的培养基、诱导生芽的培养基和诱导生根的培养基的成分有什么不同？
提示：三种培养基成分的不同是生长素和细胞分裂素的比例不同。
(3)诱导愈伤组织期间一般不需要光，后续培养过程中，为什么每日要给予适当时间和强度的光照？
提示：后续培养过程中，给予适当时间和强度的光照的目的是诱导叶绿素的形成，进一步形成叶绿体进行光合作用。
(4)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？
提示：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，愈伤组织中不含有叶绿体。
20世纪60年代，科学家尝试将番茄和马铃薯杂交，希望培育出一种地上结番茄、地下长马铃薯的超级作物。
讨论：
用传统的有性杂交方法能得到杂种后代吗？为什么？
不能；
因为两种生物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？
情景思考
三、植物体细胞杂交技术
1.过程
A细胞
B细胞
纤维素酶果胶酶
①去壁：
酶解法
正在融合的原生质体
再生出细胞壁
②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
脱分化
再分化
移栽
植物细胞融合
植物组织培养
杂种植株
愈伤组织
A原生质体
B原生质体
移栽后的植株
①
①
②
与高尔基体有关
2.植物体细胞杂交的概念：
植物体细胞杂交是指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。
3.原理：
细胞膜具有一定的流动性
植物细胞的全能性
4.两个标志
（1）植物细胞融合完成的标志：
再生出新的细胞壁
（2）植物体细胞杂交完成的标志：
培育成新植物体
5.实例：
白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等。
6.意义：
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。
三、植物体细胞杂交技术
植物组织培养和植物体细胞杂交的比较
名称 植物组织培养 植物体细胞杂交
原理 细胞的全能性 细胞膜具有一定的流动性和细胞的全能性
过程
注意 事项 ①取材：选取有形成层的部位最容易诱导形成愈伤组织； ②光照：在愈伤组织分化出芽和叶时，一定要有光照，以利于叶片内叶绿素的合成 ①去壁方法：酶解法，所用的酶是纤维素酶和果胶酶；
②人工诱导融合的方法：
物理法：电融合法、离心法等；
化学法：聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等
联系 植物体细胞杂交技术包括植物细胞融合和植物组织培养两个过程，植物组织培养是植物体细胞杂交的一个环节，融合的体细胞只有通过植物组织培养才能发育成完整的个体
1.植物体细胞杂交过程中，杂种植株属于哪种变异类型？属于几倍体植物？
提示：杂种植株的变异类型属于染色体数目变异。杂种植株的染色体数目通常是两亲本细胞染色体数目之和，杂种植株属于异源多倍体。
2.植物体细胞杂交过程中，得到的杂种植株是否可育？
提示：判断是否可育需看同源染色体能否正常联会。植物体细胞杂交得到的杂种植株中，同源染色体能正常联会，所以可育。
问题思考
1.假设用于体细胞杂交的双方细胞都有2个染色体组，则杂种细胞有4个染色体组，由杂种细胞发育而来的杂种植株被称为异源四倍体。该杂种植株联会正常，表现为可育。
2.植物体细胞杂交过程中杂种细胞类型(假设用于杂交的两种植物细胞分别为A、B)
(1)未融合的细胞：A和B。
(2)两两融合的细胞：AA、BB和AB。
(3)多细胞融合体。
特别提醒
课堂小结
练习与应用
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
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，蜗牛消化生去水做中可能含有什么成分
练习与应用
一、概念检测
纤维素和果胶
“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
二、拓展应用
练习与应用
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--“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，它们不能再像马钤票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。