2.1.1植物细胞工程的基本技术(课件共36张PPT)

(共36张PPT)
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，有目的地获得细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。
1.原理方法：________________________________；
2.操作水平：________________________________；
3.目的：____________________________________；
4.分类：____________________________________；
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
植物细胞工程、动物细胞工程
细胞工程的概念 （ P31）
第2章 细胞工程
细胞工程发展历程：
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。
新课程标准 核心素养
1.简述植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术的原理和过程。 2.尝试进行植物组织培养。 1.科学探究——结合具体实验，尝试设计植物组织培养技术的流程简图。
2.社会责任——了解组织培养技术已取得的进展和尚未解决的问题，认同科学是一个不断发展的过程。
第1节 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。
1．概念：细胞经分裂和分化后，仍然具有　　　　　 或
　　　　　　　　　的潜能。
细胞全能性的原因：
2．生长发育过程中细胞没有表现全能性的原因
在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会　　 　　　　。
一、植物细胞的全能性
分化成其他各种细胞
选择性地表达
产生完整生物体
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、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
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。
4、细胞全能性的比较①受精卵＞生殖细胞（卵细胞＞精子）＞体细胞；②植物细胞＞动物细胞；③幼嫩的细胞＞衰老的细胞；④分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞；⑤分裂能力强的细胞＞分裂能力弱的细胞。---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。
植物细胞的全能性
---多肉进行叶插繁殖
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
植物细胞的全能性
二、植物组织培养技术的过程
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、芽等
试管苗
驯化移栽
完整植株
移栽成活
（1）脱分化
①概念
在一定的____和____等条件的____下，_____________的细胞________________________，转变成________________的过程；
②实质
______________________________________________________
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
已经分化的细胞失去其特有的结构和功能，转变为未分化的细胞
形成愈伤组织
排列不规则，高度液泡化，呈不定型状态的薄壁细胞
一般不需要光照
只有细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化
（2)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
再分化成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株
需要给予适当时间和强度的光照
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
4.适宜的培养条件：(细胞表现全能性的条件)
（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）
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
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
探究·实践·菊花的组织培养2.材料分析：（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：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：湿热灭菌法。3.方法步骤（1）消毒①用酒精擦拭双手和超净工作台台面。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。（3）接种在酒精灯火焰旁，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。注意：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。注意：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。（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：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。（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。（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？4.结果分析与评价用于植物组织培养的培养基同样适合某些微生物的生长，如一些细菌、真菌等的生长。培养物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。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。（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。（4）你培育的幼苗移栽到露地后，能够正常生长吗？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。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（防止杂菌的滋生），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）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？5.进一步探究①空白对照：不加任何激素；②实验组1：生长素用量与细胞分裂素用量的比值为1；③实验组2：生长素用量与细胞分裂素用量的比值大于1；④实验组3：生长素用量与细胞分裂素用量的比值小于1。特殊的植物组织培养——花药离体培养该过程涉及的生殖方式是有性生殖，经秋水仙素加倍之后，获得的植株一般为纯合子。【典例】玉米是一种主要的农作物，为了提高玉米的产量，科学家在玉米育种和栽培中作了大量的研究。如图是关于玉米培养的过程，据图判断下列说法中错误的是(　　)
C
A.从繁殖原理上分析，A→D属于无性
生殖
B.植株D和G中的染色体组数不同
C.E→G不能体现细胞的全能性
D.E→F过程中获得的植株一般不用于
大田生产
【检测】关于植物组织培养的再分化过程，说法错误的是(　　)
A.再分化过程中，不同细胞内合成了功能不同的特异性蛋白质
B.脱分化与再分化过程所使用的培养基主要是激素浓度及用量比例的不同
C.再分化过程在实验室或植物组织培养车间进行，需要避光处理
D.再分化过程中，核遗传物质没有发生改变，但mRNA有变化
C
注：(1)高度分化的动物细胞的细胞核也具有全能性。
(2)配子中至少含有一个染色体组，所以配子也具有全能性。
(3)植物的种子发育成完整植株，不能体现细胞的全能性。
思考： 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
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
三、植物体细胞杂交技术
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
【典例】科学家利用植物体细胞杂交技术将番茄与马铃薯的体细胞原生质体融合，最终得到番茄—马铃薯杂种植株。下列有关叙述错误的是(　　)
A.番茄—马铃薯杂种植株能在地上结番茄、地下长马铃薯
B.可用物理法使番茄的原生质体和马铃薯的原生质体融合
C.该项生物工程技术可克服生物远缘杂交不亲和的障碍
D.该项生物工程技术需经历脱分化和再分化
A
【检测】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，此技术运用的原理是 ，其中步骤④相当于 ，步骤⑤相当于 。
（4）植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株，
使　　　　　 能够在新的植物体上有所表现，其根本原因是　　　　　　　 。
（5）若远缘杂交亲本A的基因型为AaBb，B的基因型为YYEe，则融合后形成的杂种植株基因型是 。
去除细胞壁，分离原生质体
酶解法
聚乙二醇（PEG）
诱导植物原生质体融合
脱分化
再分化
远缘杂交亲本的遗传特征
杂种植株获得双亲的遗传物质
细胞的全能性
AaBbYYEe
（6）从理论上讲，杂种植株的育性　　。若运用传统有性杂交方法能否实现？　　　；原因是　　　 。
因此，这项研究对于培养作物新品种方面的重大意义在于　　　　　　　　　　　 。
（7）利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔的遗传规律？为什么？
　　 。
可育
不能
不同种生物之间存在生殖隔离
不遵循；因为孟德尔遗传规律发生在有性生殖减数分裂产生配子时，而植物体细胞杂交育种属于无性生殖。
克服了远缘杂交不亲和的障碍
所采用技术的理论基础
植物细胞工程
通常采用的技术手段
植物组织培养技术
植物体细胞杂交技术
植物细胞的全能性
【课堂小结】
(1)高度分化的细胞，只有发育成一个完整的生物个体，才能体现出细胞的全能性。( )
解析：高度分化的细胞，只要是能发育成完整生物个体，或者分化形成其他各种细胞，都认为是表现出了全能性。
(2)植物组织培养技术的理论基础是植物细胞的全能性。( )
(3)植物激素中的生长素和赤霉素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。( )
解析：植物激素中的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。
(4)试管苗在诱导形成后，就可以直接移栽到土壤中，不过还需要适时浇水、施肥。( )
解析：试管苗在诱导形成后，要先经过壮苗等过程才可以移栽到土壤中。
×
√
×
×
【基础过关】
(5)植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种细胞。( )
(6)植物体细胞杂交利用了植物组织培养技术。( )
(7)植物体细胞杂交就是利用一定的方法将去除细胞壁的不同来源的植物细胞融合为杂种细胞的过程。( )
解析：植物体细胞杂交包括原生质体制备、原生质体融合和植物组织培养等过程。
(8)若原生质体均为两两融合，则融合后的细胞有3种类型。( )
解析：相同细胞两两融合和异种细胞两两融合
×
√
×
√
1.图是“番茄—马铃薯”杂种植株的培育过程，其中①～⑤表示过程，字母表示细胞、组织或植株。下列相关叙述正确的是(　　)
C
A.过程①表示在低渗溶液中用酶解法处理植物细胞获得原生质体
B.过程②诱导原生质体融合依据的原理是细胞膜具有选择透过性
C.可以根据是否发生质壁分离现象鉴别杂种细胞的细胞壁是否再生
D.植物有性杂交和体细胞杂交都能克服远缘杂交不亲和的障碍
【课堂检测】
解析　获得植物原生质体的操作一般在等渗溶液中进行，若在低渗溶液中进行，则去掉细胞壁的原生质体会因吸水而涨破，A错误；过程②为诱导原生质体融合，主要依据的原理是细胞膜具有流动性，B错误；具有细胞壁是植物细胞可以发生质壁分离的条件之一，故可根据是否发生质壁分离现象鉴定细胞壁是否再生，C正确；植物有性杂交不能打破物种间的生殖隔离，无法克服远缘杂交不亲和的障碍，D错误。
C
2.如图为通过矮牵牛原生质体形成再生植株的过程，有关叙述错误的是(　　 )
A.过程①用纤维素酶和果胶酶获得原生质体
B.过程②是基因选择性表达的结果
C.过程③需用秋水仙素处理诱导细胞壁再生
D.原生质体无细胞壁但仍保持细胞的全能性
解析　过程①用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁获得原生质体，A正确；过程②是脱分化过程，存在基因选择性表达，B正确；过程③再生细胞壁不需要秋水仙素诱导，C错误；原生质体无细胞壁但仍具有该生物全套的遗传物质，因此仍保持细胞的全能性，D正确。
B
3.植物组织培养可以形成愈伤组织，下列有关愈伤组织的叙述错误的是(　)
A.愈伤组织是离体细胞经过脱分化形成的
B.形成愈伤组织的培养基不含有机分子
C.愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构
D.愈伤组织细胞的线粒体和核糖体中可能发生碱基互补配对
4.植物体细胞杂交尚未解决的问题是(　　)
A.去除细胞壁，分离出有活力的原生质体
B.将杂种细胞培育成植株
C.让杂种植物按照人们的需要表现亲代的优良性状
D.尚未培育出属间杂种植物
C