2.1植物细胞工程课件(共46张PPT)2022-2023学年高二下学期生物人教版选择性必修3

(共46张PPT)
Cell engineering
00
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的生物工程。
原理和方法
操作水平
目的
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
获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品
动物细胞工程和植物细胞工程
植物细胞工程发展历程
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
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。
第二章 细胞工程
第1节 植物细胞工程
学习目标
概述植物组织培养和植物体细胞杂交技术的原理和过程。（科学思维）
01
02
尝试进行植物组织培养。（生命观念、科学思维）
03
举例说明植物细胞工程的应用有效提高了生产效率。（社会责任）
植物组织培养技术
一
2.原理：
1.概念：
指 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 的技术。
离体
完整植株
植物细胞的全能性
细胞经过 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。
分裂和分化
1.具有全能性的原因：
一般生物体的每一个细胞都包含有该物种的 。
即都有发育成 所必需的全部遗传信息。
全套遗传信息
完整个体
2.生物体内细胞不体现全能性的原因：
基因在特定的时间和空间条件下 表达的结果。
选择性
外植体
植物组织培养技术
一
3.一般过程：
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
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
分化状态
未分化状态
植物组织培养技术
一
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
1.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、呈无定形状态的薄壁细胞团。
植物组织培养技术
一
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。
3.无菌操作——植物组织培养成功的关键。
植物组织培养技术
一
2.再分化：
脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，又可以 出芽或根等器官的过程。
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。
④结果：
愈伤组织
芽
低
高
根
生长素
细胞分裂素
胚状体
植物组织培养技术
一
植物组织培养的两种途径
胚状体途径
器官发生途径
植物组织培养技术
一
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。
注意说明
3.生长发育：
将试管苗移到大田中栽培或进行无土栽培，使之进一步生长发育为具有根、茎、叶且能开花、结果的完整植株。
植物组织培养技术
一
脱分化 再分化
过程 外植体→愈伤组织 愈伤组织→幼苗
结果 形成愈伤组织 形成根、芽
需要条件 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
决定植物脱分化、再分化的关键因素
植物组织培养技术
一
生长素/细胞分裂素 结果
比值高(＜1)
比值低(＞1)
比值适中(=1)
有利于芽的分化，抑制根的形成
有利于根的分化，抑制芽的形成
促进愈伤组织的形成
简记为：“高”根，“低”芽，“中”愈伤
植物组织培养技术
一
植物组织培养技术
一
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。
植物组织培养技术
一
幼 苗
愈伤组织
脱分化
CTK/IAA
比例适合
再分化
IAA/CTK
比例
先减小再增大
植物组织培养过程示意图
完整植株
外植体
植物组织培养技术
一
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
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。
植物组织培养技术
一
（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）
归纳——细胞表现全能性的条件
植物体细胞杂交技术
二
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。
融合实例:
+
=
白菜
甘蓝
白菜-甘蓝
植物体细胞杂交技术
二
细胞融合初期
人细胞
鼠细胞
人鼠杂交细胞
细胞融合
细胞融合
37°
培养40min
参考动物细胞融合，若是植物细胞之间的杂交，则应先做什么？得到杂种细胞后，如何培育成植株？
去除细胞壁（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：是指植物细胞的液泡膜、细胞膜及其之间的细胞质构成的
红色荧光素标记的抗体
绿色荧光素标记的抗体
植物体细胞杂交技术
二
2.过程：
A细胞
B细胞
A原生质体
B原生质体
正在融合的原生质体
杂种细胞
愈伤组织
杂种植株
移栽后的植株
①
①
②
③
④
⑤
⑥
①去除细胞壁
纤维素酶
去壁：
酶解法
果胶酶
②诱导融合
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
③细胞壁再生
④脱分化
⑤再分化
⑥移栽
植物细胞融合
植物组织培养
植物细胞的全能性
细胞膜的流动性
植物体细胞杂交技术
二
体细胞融合成功后培养基中共有 种细胞类型( )，其中融合细胞类型有3种( )，而真正符合要求的是AB，因此要对融合细胞进行筛选。
细胞融合后，共有几种细胞类型？
融合细胞有几种，符合要求的是哪种？
A
B
5
A、B、AA、BB、AB
AA、BB、AB
（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
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。
在此过程中活跃的细胞器是 。
线粒体和高尔基体
3.标志：
4.意义：
植物体细胞杂交技术
二
+
=
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
植物体细胞杂交技术
二
染色体数目变异
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
5.变异类型：
植物体细胞杂交技术
二
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。
总结
概念
植物细胞融合
原生质体制备
过程
变异类型
植物组织培养
原生质体融合
原理
育种类型
原理
过程
花药离体培养
细胞全能性
操作步骤
脱分化
再分化
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
植物体细胞杂交
植物组织培养
植物细胞工程
优缺点
练习与应用
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
纤维素酶和果胶酶
"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。
3."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
植物繁殖的新途径
三
1.快速繁殖
（1）概念：
用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。也叫微型繁殖。
20世纪60年代，荷兰科学家成功地利用组织培养技术来培育兰花。目前，荷兰的兰花生产已经发展成为举世闻名的兰花产业。
我国组织培养技术已经广泛应用于兰花种苗的规模化繁殖，使得名贵的兰花价格大幅下降。
（2）生殖方式：
（3）原理：
一般为无性生殖
植物细胞的全能性
（4）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。
其细胞分裂方式是有丝分裂，亲、子代细胞DNA相同，所以可以保持亲代优良的遗传特性。
植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么？
思考
植物组织培养到愈伤组织阶段，细胞进行旺盛、快速的有丝分裂，从而获得大量的组织细胞。不断地对愈伤组织进行分割、移瓶、诱导再分化就可以形成大量的新植株。另外，植物组织培养在实验室进行，一般不受季节、气候等条件的限制。
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。
植物繁殖的新途径
三
2.作物脱毒
a.作物病毒积累
感染的病毒很容易传给后代
无性繁殖
病毒在作物体内积累
作物产量降低品质变差
c.优点：
明显提高农作物的产量和品质
b.脱毒方法
取材：顶端分生区（如茎尖、根尖：病毒极少，甚至无毒）
组培
脱毒苗
注：脱毒苗不等于抗毒苗。
与快速繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。
作物新品种的培育
四
单倍体
由生殖细胞直接发育而来，无论体细胞中含有几个染色体组一律称为单倍体。
①成因：
②代表生物：
③特点：
由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而成。
蜜蜂中的雄蜂
枝叶茎杆弱小，果实多而小，一般高度不育（不是全部）。
④应用：
单倍体育种
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
二倍体植株
花药离体培养
单倍体植株
人工诱导
正常植株
（纯合子）
种子
自交
萌发
新植株
（新品种）
二倍体植株
拥有正常染色体数目
染色体数目变异、植物细胞的全能性
作物新品种的培育——单倍体育种
四
（抗倒伏，不抗病）
（抗倒伏抗病）
花药（粉）：
单倍体幼苗：DT Dt dT dt
正常植株：DDTT DDtt ddTT ddtt
新品种：DDtt
方法：花药离体培养
秋水仙素处理
2.缺点：操作复杂
1.优点：能明显缩短育种年限
DDTT（♀）× ddtt（♂）
第一年
第二年
筛选
DdTt
（抗倒伏，不抗病）
（倒伏，抗病）
二倍体生物
（组织培养）
DdTt植株
DT Dt dT dt
花药离体培养和人工诱导染色体数目加倍
作物新品种的培育——单倍体育种
四
优良品种
花药
花粉
离体培养
单倍体
纯合二倍体
人工诱导
染色体加倍
选择
作物新品种的培育——单倍体育种
四
取花药
单倍体幼苗
脱分化
纯合二倍体
人工诱导染色体加倍
优良品种
选择
愈伤组织
再分化
花药离体培养
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。
作物新品种的培育——单倍体育种
四
Aa
A
a
AA
aa
单倍体(n)
纯合二倍体(2n)
二倍体(2n)
大多数单倍体植株的细胞中只含有一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性性状容易出现。
因此它也是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。
作物新品种的培育——突变体的利用
四
（1）原理：
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。
（2）过程：
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
（3）利用：
筛选对人们有利的突变体,进而培育成新品种。
（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。
细胞产物的工厂化生产——植物的代谢产物
五
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。
（1）含义
糖类、脂质、 和核酸等。
蛋白质
（2）种类
化学本质
作用
应用
直接获取困难
化学合成困难
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
小分子有机物(酚类、萜类和含氮类)
植物抗病、抗虫
药物、香料、色素
含量低、从植物组织提取会大量破坏植物资源
有些产物不能或难以通过化学合成途径得到
细胞产物的工厂化生产
五
利用植物细胞培养来获得目标产物，这个过程就是细胞产物的工厂化生产。
外植体
愈伤组织
细胞悬液
脱分化
振荡分散
细胞悬浮培养
细胞产物
提取
优势
不占用耕地、不受季节、天气的限制，对社会、经济、环保具有重要意义。
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
实例
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，已被用于乳腺癌等癌症的治疗
到社会中去
“手指植物”通常培育在装有彩色固体培养基的小玻璃瓶中，只要保证充足的光照和适宜的温度，不需要额外补充水分和营养物质，它们就能在玻璃瓶中生长三四个月之久。
“手指植物”的制作方法用到了植物组织培养技术。在制作过程中，一定要注意做好灭菌和消毒工作，为了防止污染可在培养基中加入一定量的抑菌剂。另外，还可以根据个人喜好，在培养基中加入适量的色素或者荧光剂，使“手指植物”更具有观赏价值。
总结
外植体
愈伤组织
试管苗
脱分化
再分化
植株
作物脱毒
选择顶端分生组织
快速繁殖
单倍体育种
选择花药
进行诱变
突变体的利用
分散后
悬浮培养
3.细胞产物的工厂化生产
2.植物新品质的培育
1.植物繁殖的新途径
筛选
练习与应用
1. 运用植物细胞工程技术可以培育单倍体 植株和进行细胞产物的工厂化生产。判断下列相关表述是否正确。
（1）用花药培养得到单倍体植株需要用到植物组织培养技术。
（ ）
（2）细胞产物的工厂化生产主要是利用促进细胞生长的培养条件，提高了单个细胞中次生代谢物的含量。（ ）
√
×
练习与应用
2.生产中培育香蕉脱毒苗常用的方法是 （ ）
A.人工诱导基因突变
B.选择优良品种进行杂交
C.进行远缘植物体细胞杂交
D.取茎尖分生组织进行组织培养
D
练习与应用
1. 紫色非甜玉米（基因型为AASuSu ）和白色甜玉米（基因型为aasusu ）杂交（Su和su代表一对等位基因）,得到的F1（ AaSusu ）再进行自交，F2会有紫色甜玉米的表型产生。如果运用常规育种方法，应该如何筛选出纯合的紫色甜玉米？如果利用花药培养的技术，又应该怎样做呢？请你设计相关实验的思路。
F2中的紫色甜玉米的基因型可能为 Aasusu或 AAsusu。如果运用常规育种方法，将F2中的紫色甜玉米与白色甜玉米( aasusu)进行测交，可以选择出基因型为 AAsusu的纯种紫色甜玉米。但这种方法比较烦琐，耗时也较长，需要至少三年的选种和育种时间。其实在F1产生的花粉中就可能有Asu的组合，如果利用花药培养的技术获得单倍体植株，再经过诱导染色体加倍，就可以直接得到紫色甜玉米的纯合体。这种方法可以大大缩短育种周期。
练习与应用
甜叶菊是一种菊科植物，植株中所含甜菊糖的甜度是蔗糖
的300倍左右，而它的热量却很低，所以它逐渐成为一些用糖
行业欢迎的新糖源。甜叶菊的种子小，发芽率低，种子繁殖
遗传性状不稳定；而扦插植株的根系弱，且需要原始材料多，
这些都会限制甜叶菊的生产。假如你是某甜叶菊生产公司的
项目负责人，该公司当前运行状况良好，但一直未能解决种
子发芽率低的问题，为了提高公司的甜叶菊繁育效率，你应该如何作出决策，并请说出理由。
积极探索其他的繁育途径。例如，研究如何利用植物组织培养技术繁育甜叶菊，研究内容涉及植物组织培养材料的选择，培养基配方的优化，提高试管苗移栽成活率的方法等，最终目的是建立一套利用植物组织培养技术繁育甜叶菊的标准技术体系，实现甜叶菊种苗的产业化生产。